CN103896495A - 一种硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法：将摩尔百分比为44%的网络外体和摩尔百分比为56%的网络形成体组成的玻璃组分混合均匀；在温度为1000～1400℃下熔融保温0.5～1.5小时得到玻璃液；淬冷得到玻璃块；将所得玻璃块依次经粗碎、细碎、筛分得到玻璃粉料；将所得到的玻璃粉料与乙基纤维素和无水乙醇按照质量比为3:0.12:2.5的比例进行混合；先将无水乙醇和乙基纤维素平磨混合，再放入玻璃粉料后得到玻璃料浆；将所制备的玻璃料浆与聚氨酯模板混合，然后挤出多余的料浆，制备出灌浆玻璃支架，干燥、烧结、冷却得到硼酸盐抗菌玻璃支架。本发明所制得的硼酸盐抗菌玻璃支架抗菌效果优良，不存在致生物耐药性，具有可长期缓释抗菌，高温稳定抗菌，酸碱稳定抗菌性能。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，尤其涉及一种硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法。
背景技术
上世纪80年代美国学者Langer等提出了组织工程（tissue engineering）的再生医学新概念，引起了医学界和材料科学界的极大关注。组织工程是利用生物科学与工程科学的原理和方法，研究和开发具有修复或改善人体组织、器官功能的新一代临床应用的取代物，用于代替组织或器官的一部分或全部功能。其中无机组织工程材料因具有机械性能好，生物相容性高，容易与周围的骨组织形成牢固的化学键合，而备受青睐。
生物组织工程材料植入到体内，造成的细菌感染是不容忽视的问题，现在解决这些问题的手段一般是材料载药方法。但是这种方法存在以下不足：细菌抗药性，药物突释，不同生理环境下药效变低等等。由于银离子是性能良好的广谱抗菌剂，并且不存在细菌抗药性及药效因环境而受到变化等优点，因此制备一种含氧化银的骨组织工程抗菌支架，在改善临床应用过程中的抗菌性能方面意义重大。另外有关文献报道硼酸盐生物玻璃因其具有很好的生物活性及生物相容性，而成为目前组织工程领域中的研究热点之一。前期研究表明，由硼酸盐玻璃制备的骨组织工程支架，具有优良的生物活性及生物相容性及生物可降解性能，可以在支架表面形成类骨羟基磷灰石，有利于细胞的粘附与生长，植入动物体内，能促进骨修复与组织再生。由于玻璃是组成能大幅度调节的材料，在硼酸盐玻璃中还可添加一些有利于细胞生长的营养元素，如Sr，B等，植入体内后，这些离子的释放，对骨修复与组织再生等都能起到一定的促进作用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，所需设备简单，容易操作，成本低廉。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，包括以下步骤：
（1）玻璃粉料的制备
将摩尔百分比为44%的网络外体和摩尔百分比为56%的网络形成体组成的玻璃组分混合均匀，其中：网络外体包括摩尔百分比为0.057～1.136%的抗菌金属氧化物、摩尔百分比为30.682～31.761%的碱金属氧化物和摩尔百分比为68.182%的碱土金属氧化物；在温度为1000～1400℃下熔融保温0.5～1.5小时得到玻璃液；淬冷得到玻璃块；将所得玻璃块依次经粗碎、细碎、筛分得到玻璃粉料；
（2）玻璃料浆的制备
将步骤（1）所得到的玻璃粉料与乙基纤维素和无水乙醇按照质量比为3:0.12:2.5的比例进行混合；先将无水乙醇和乙基纤维素平磨混合30～60min，再放入玻璃粉料，平磨60～90min，转磨30～60min后得到玻璃料浆，转速均为300rpm/min；
（3）硼酸盐抗菌玻璃支架的制备
将步骤（2）所制备的玻璃料浆6ml与0.015g聚氨酯模板（50PPI，每英寸50孔，密度为0.015-0.025g）混合3～5min，然后挤出多余的料浆，制备出灌浆玻璃支架，在温度为60℃下干燥10～20min，将灌浆玻璃支架烧结、冷却得到硼酸盐抗菌玻璃支架。
所述抗菌金属氧化物为Ag2O。
所述碱金属氧化物包括Na2O和K2O，其摩尔比为(5.5～5.975):8。
所述碱土金属氧化物包括CaO、SrO和MgO，其摩尔比为16:6:8。
所述网络形成体为非金属氧化物。
所述非金属氧化物包括SiO2、B2O3和P2O5，其摩尔比为18:36:2。
所述玻璃粉料的粒径为0.05～50μm。
所述步骤（3）中的烧结是在程序控温炉中进行，以1.5℃/min升温速度升到400～500℃之间，保温60～90min；以2.5℃/min升温速度升到550～650℃之间，保温120～150min，随炉降温冷却。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明制备出的硼酸盐玻璃支架，孔径大小为200μm左右，抗压强度较高，具有生物可降解性能，生物活性高，其外形结构与人体的骨小梁结构相似；另外本支架根据预设骨缺损模型进行设计，制备出形状不同的抗菌生物活性玻璃支架，可用于制备骨填充物，骨科药物载体材料。
2、本发明工艺设备简单，容易操作，成本低廉，硼酸盐抗菌玻璃支架的抗菌因子为Ag2O，抗菌材料具有长期缓释抗菌性能，无细菌耐药性，高温稳定抗菌，酸碱稳定抗菌性能。
3、本发明所得到的抗菌可降解硼酸盐生物活性玻璃支架，能释放出抗菌因子Ag离子或Ag2O，支架抗菌效果优良，不存在致生物耐药性，具有可长期缓释抗菌，高温稳定抗菌,酸碱稳定抗菌性能。
4、本发明所得到的硼酸盐抗菌玻璃支架是一类可降解的生物活性材料。
5、本发明所得到的硼酸盐抗菌玻璃支架可根据预设骨缺损模型进行设计，制备出形状不同的抗菌生物活性玻璃支架，可用于制备骨填充物、骨科药物载体等材料。
6、本发明所制得的硼酸盐抗菌玻璃支架抗菌效果优良，不存在致生物耐药性，具有可长期缓释抗菌，高温稳定抗菌,酸碱稳定抗菌性能，生物可降解性能，生物活性高等等性能。
附图说明
图1是实施例1所示硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法流程图。
图2是图1所示硼酸盐抗菌玻璃支架的示意图。
图3是图1所示硼酸盐抗菌玻璃支架的抗压强度曲线示意图。
图4是实施例2所示硼酸盐抗菌玻璃支架模拟体液浸泡前的SEM示意图。
图5是实施例2所示硼酸盐抗菌玻璃支架模拟体液浸泡后的SEM示意图。
图6是硼酸盐抗菌玻璃支架对大肠杆菌的抑制效果示意图。
图7是硼酸盐抗菌玻璃支架对金黄色葡萄球菌的抑制效果示意图。
图8是浸泡后硼酸盐抗菌玻璃支架对大肠杆菌的抑制效果示意图。
图9是浸泡后硼酸盐抗菌玻璃支架对金黄色葡萄球菌的抑制效果示意图。
图10是不同掺银量硼酸盐抗菌玻璃支架对大肠杆菌的抑制率示意图。
图11是不同掺银量硼酸盐抗菌玻璃支架对金黄色葡萄球菌的抑制率果示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
掺银0.05%酸盐抗菌玻璃支架的制备
如图1所示，图1是实施例1所示硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法流程图。
（1）玻璃粉料的制备
按照表1的硼酸盐生物玻璃组成，称取与金属氧化物相应的氧化物、氯化物、碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐作为玻璃配合料，原料的纯度为分析纯，混合均匀之后，将原始配料至于铂金坩埚中1150℃，熔制1h。随后淬冷得到玻璃块；将所得玻璃块依次经横式球磨机粗碎、气流粉碎机细碎，并筛分得到最终粒径为0.05-50μm的玻璃粉料。
表1
（2）玻璃料浆的制备
将步骤（1）所得到的玻璃粉料与乙基纤维素和无水乙醇，按照质量比为3：0.12：2.5进行混合。利用球磨机先将无水乙醇和乙基纤维素混合30min，再放入玻璃粉料，平磨60min，然后转磨60min，转速均为300rpm/min。
（3）硼酸盐抗菌玻璃支架的制备
将步骤（2）中所制备的玻璃料浆6ml，与不同形貌的聚氨酯模板0.015g（50PPI，每英寸50孔，密度为0.015-0.025g·cm-3）混合3-5min，之后用载玻片挤压，将多余的料浆挤出，制备出灌浆玻璃支架，并于60℃鼓风烘箱中干燥20min。将灌浆玻璃支架放置于程序控温炉中，进行烧结。以1.5℃/min升温速度升到400-500℃之间，保温60-90min；以2.5℃/min升温速度升到550-650℃之间，保温120-150min，之后随炉降温冷却；获得硼酸盐抗菌玻璃支架，如图2所示，图2是图1所示硼酸盐抗菌玻璃支架的示意图。
图3是图1所示硼酸盐抗菌玻璃支架的抗压强度曲线示意图。可以看出制备出硼酸盐抗菌玻璃支架的强度为12Mpa。
实施例2
掺银1%抗菌可降解硼酸盐生物活性玻璃支架制备
（1）玻璃粉料的制备
按照表2的硼酸盐生物玻璃组成，称取与金属氧化物相应的氧化物、氯化物、碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐作为玻璃配合料，原料的纯度为分析纯，混合均匀之后，将原始配料至于铂金坩埚中，1300℃，熔制1.5h。随后淬冷得到玻璃块；将所得玻璃块依次经横式球磨机粗碎、气流粉碎机细碎，并筛分得到最终粒径为0.05-50μm的玻璃粉料。
表2
（2）玻璃料浆的制备
将步骤（1）所得到的玻璃粉料与乙基纤维素和无水乙醇，按照质量比为3：0.12：2.5进行混合。利用球磨机先将无水乙醇和乙基纤维素混合30min，再放入玻璃粉料，平磨60min，然后转磨60min，转速均为300rpm/min。
（3）硼酸盐抗菌玻璃支架的制备
将步骤（2）中所制备的玻璃料浆6ml，与聚氨酯模板0.015g（50PPI，每英寸50孔，密度为0.015-0.025g·cm-3）混合3-5min，之后用载玻片挤压，将多余的料浆挤出，制备出灌浆玻璃支架，并于60℃鼓风烘箱中干燥20min。将灌浆玻璃支架放置于程序控温炉中，进行烧结。以1.5℃/min升温速度升到400-500℃之间，保温60-90min；以2.5℃/min升温速度升到550-650℃之间，保温120-150min，之后随炉降温冷却；获得硼酸盐抗菌玻璃支架。
对所获得的硼酸盐抗菌玻璃支架进行SEM测试，如图4和图5所示，图4是实施例2所示硼酸盐抗菌玻璃支架模拟体液浸泡前的SEM示意图；图5是实施例2所示硼酸盐抗菌玻璃支架模拟体液浸泡后的SEM示意图。掺银1wt%抗菌支架在37℃恒温SBF中浸泡15天之后的SEM图。从图4中可以看出，实施例2制备的硼酸盐抗菌玻璃支架连通性能好，其孔径大小为200μm左右，图5可以看出，实施例2制备的硼酸盐抗菌玻璃支架具有一定的降解性能，在浸泡之后，硼酸盐抗菌玻璃支架表面生成很多羟基磷灰石颗粒。
实施例3
掺银0.5%硼酸盐抗菌玻璃支架的制备
（1）玻璃粉料的制备
按照表3的硼酸盐生物玻璃组成，称取与金属氧化物相应的氧化物、氯化物、碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐作为玻璃配合料，原料的纯度为分析纯，混合均匀之后，将原始配料至于铂金坩埚中1200℃，熔制1.5h。随后淬冷得到玻璃块；将所得玻璃块依次经横式球磨机粗碎、气流粉碎机细碎，并筛分得到最终粒径为0.05-50μm的玻璃粉料。
表3
（2）玻璃料浆的制备
将步骤（1）所得到的玻璃粉料与乙基纤维素和无水乙醇，按质量比为3：0.12：2.5进行混合。利用球磨机先将无水乙醇和乙基纤维素混合30min，再放入玻璃粉料，平磨60min，然后转磨60min，转速均为300rpm/min。
（3）硼酸盐抗菌玻璃支架的制备
将步骤（2）中所制备的玻璃料浆6ml，与聚氨酯模板0.015g（50PPI，每英寸50孔，密度为0.015-0.025g·cm-3）混合3-5min，之后用载玻片挤压，将多余的料浆挤出，制备出灌浆玻璃支架，并于60℃鼓风烘箱中干燥20min。将灌浆玻璃支架放置于程序控温炉中，进行烧结。以1.5℃/min升温速度升到400-500℃之间，保温60-90min；以2.5℃/min升温速度升到550-650℃之间，保温120-150min，之后随炉降温冷却；获得硼酸盐抗菌玻璃支架。
掺银硼酸盐抗菌玻璃支架体外抗菌实验
采用抑菌圈法定性测试掺银硼酸盐抗菌玻璃支架的抑菌性能。实验选用革兰氏阴性菌大肠杆菌（Escherichia coli Top10）和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（Staphylocous aureus ATCC6538）进行验证。将细菌活化之后，稀释100倍，取100μL菌悬液均匀涂布于LB培养基上，然后将浸泡在SBF中的0，3天之后的掺银玻璃支架洗涤、干燥、灭菌后，种植于已经接种细菌的平板上。在37℃恒温箱中培养24h，观察抑菌圈的情况。
所得到的掺银硼酸盐抗菌玻璃支架其抑菌效果，见图6～11。图6是硼酸盐抗菌玻璃支架对大肠杆菌的抑制效果示意图。E.coli平板1：掺银0wt%支架，2：掺银0.05wt%支架，3：掺银0.5wt%支架，4：掺银1wt%支架。图7是硼酸盐抗菌玻璃支架对金黄色葡萄球菌的抑制效果示意图。S.aureus平板1：掺银0.05wt%支架，2：掺银0.5wt%支架，3：掺银1wt%支架。图8是浸泡后硼酸盐抗菌玻璃支架对大肠杆菌的抑制效果示意图。E.coli平板1：浸泡3天后掺银0.05wt%支架，2：浸泡3天后掺银0.5wt%支架，3：浸泡3天后掺银1wt%支架。图9是浸泡后硼酸盐抗菌玻璃支架对金黄色葡萄球菌的抑制效果示意图。S.aureus平板1：浸泡3天后掺银0.05wt%支架，2：浸泡3天后掺银0.5wt%支架，3：浸泡3天后掺银1wt%支架。图10是不同掺银量硼酸盐抗菌玻璃支架对大肠杆菌的抑制效果示意图。图11是不同掺银量硼酸盐抗菌玻璃支架对金黄色葡萄球菌的抑制效果示意图。
图6和图7分别为硼酸盐抗菌玻璃支架直接种植于LB培养基中的抑菌圈。图6为硼酸盐抗菌玻璃支架对大肠杆菌（E.coli）的抑制效果，图7为硼酸盐抗菌玻璃支架对金黄色葡萄球菌（S.aurues）的抑制效果。图8和图9为硼酸盐抗菌玻璃支架浸泡于37℃恒温SBF溶液之后，种植于LB培养基中的抑菌圈。图8为浸泡后硼酸盐抗菌玻璃支架对大肠杆菌（E.coli）的抑制效果，图9为浸泡后硼酸盐抗菌玻璃支架对金黄色葡萄球菌（S.aurues）的抑制效果。图6和图7可以看出，硼酸盐抗菌玻璃支架材料对于革兰氏阴性菌（大肠杆菌等）及革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌等）具有良好的抑制效果。图8和图9可以得出，硼酸盐抗菌玻璃支架具有长期抗菌性能，并且抗菌性能抑制维持良好。图10和图11中可以明显看出，在掺杂不同Ag含量时，硼酸盐抗菌玻璃支架材料具有不同的抗菌性能。随掺杂Ag增多，其抗菌性能逐渐增强。其中对照掺银0wt%支架存在一定抑菌作用，是因为掺银0wt%支架碱金属离子析出导致pH升高所致，与掺银支架对比其抑菌效果不明显。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）玻璃粉料的制备
将摩尔百分比为44%的网络外体和摩尔百分比为56%的网络形成体组成的玻璃组分混合均匀，其中：网络外体包括摩尔百分比为0.057～1.136%的抗菌金属氧化物、摩尔百分比为30.682～31.761%的碱金属氧化物和摩尔百分比为68.182%的碱土金属氧化物；在温度为1000～1400℃下熔融保温0.5～1.5小时得到玻璃液，淬冷得到玻璃块；将所得玻璃块依次经粗碎、细碎、筛分得到玻璃粉料；
（2）玻璃料浆的制备
将步骤（1）所得到的玻璃粉料与乙基纤维素和无水乙醇按照质量比为3:0.12:2.5的比例进行混合；先将无水乙醇和乙基纤维素平磨混合30～60min，再放入玻璃粉料，平磨60～90min，转磨30～60min后得到玻璃料浆，转速均为300rpm/min；
（3）硼酸盐抗菌玻璃支架的制备
将步骤（2）所制备的玻璃料浆6ml与0.015g聚氨酯模板混合3～5min，然后挤出多余的料浆，制备出灌浆玻璃支架，在温度为60℃下干燥10～20min，将灌浆玻璃支架烧结、冷却得到硼酸盐抗菌玻璃支架。
2.根据权利要求1所述的硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，其特征在于：所述抗菌金属氧化物为Ag2O。
3.根据权利要求1所述的硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，其特征在于：所述碱金属氧化物包括Na2O和K2O，其摩尔比为(5.5～5.975):8。
4.根据权利要求1所述的硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，其特征在于：所述碱土金属氧化物包括CaO、SrO和MgO，其摩尔比为16:6:8。
5.根据权利要求1所述的硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，其特征在于：网络形成体为非金属氧化物。
6.根据权利要求5所述的硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，其特征在于：所述非金属氧化物包括SiO2、B2O3和P2O5，其摩尔比为18:36:2。
7.根据权利要求1所述的硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，其特征在于：所述玻璃粉料的粒径为0.05～50μm。
8.根据权利要求1所述的硼酸盐抗菌玻璃支架的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的烧结是在程序控温炉中进行，以1.5℃/min升温速度升到400～500℃之间，保温60～90min；以2.5℃/min升温速度升到550～650℃之间，保温120～150min，随炉降温冷却。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140702 |