CN104829137A - 一种磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法；磁性硼酸盐生物活性玻璃支架至少以磁性玻璃浆料为生产原料，磁性玻璃浆料至少以磁性纳米粒子和硼酸盐玻璃粉料为生产原料；其制备方法为：采用高温熔融法制备硼酸盐玻璃粉料；将磁性纳米粒子和硼酸盐玻璃粉料混合后得到总粉料；以无水乙醇、乙基纤维素和总粉料为生产原料制成磁性玻璃浆料；至少使用该磁性玻璃浆料制成磁性硼酸盐生物活性玻璃支架；该磁性硼酸盐生物活性玻璃支架为可植入人体的玻璃支架，其不仅具有良好的磁效应，而且还具有良好的生物可降解性。

Description

一种磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法。

背景技术

20世纪80年代，美国学者Langer和Vacanti提出组织工程(Tissue Engineering)的再生医学的新概念，形成了组织工程学这门新学科。该学科利用生命科学与工程学的原理与方法，研究和开发具有修复或改善人体组织功能的新一代临床应用结构物，用于替代器官的一部分或全部功能，组织工程提高了组织缺损的治疗水平和患者的生活质量，降低了医疗费用，正在形成高新技术产业。组织工程研究主要有4个方面：支架材料、种子细胞、器官构建、临床使用。其中支架材料是组织工程目前研究的重要内容。

磁性纳米粒子置于交变磁场下，由于磁滞效应、弛豫效应等，可将交变磁场能量转变为热能，能使周围介质升温，这种效应叫磁热效应。由于肿瘤细胞的耐热性低于正常细胞，利用磁性纳米粒子的磁热效应可使肿瘤组织的温度升高至40-43℃，达到杀死肿瘤细胞的目的，此肿瘤治疗方法称为磁热疗法。磁疗也一直被视为治疗骨质疏松、骨不连等骨相关疾病的有效手段之一。大量的文献表明：外加磁场能够促进成骨细胞的增殖和分化，从而促进新骨形成。此外，外加磁场还具有促进植入体与骨的整合、提高骨密度和钙含量，促进骨折愈合等作用。但现有的用于施加外加磁场的磁疗法通常需要比较复杂的设备，不方便使用和携带，从而极大地限制了其应用。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种磁性硼酸盐玻璃浆料及其制备方法，该磁性硼酸盐玻璃浆料不仅具有良好的磁效应，而且在体内还能逐渐转变为生物骨的主要无机成分(即羟基磷灰石，HA)，具有良好的生物可降解性。

本发明的第二个目的在于提供一种具有磁性能的磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种磁性硼酸盐玻璃浆料，其至少以磁性纳米粒子和硼酸盐玻璃粉料为生产原料，磁性纳米粒子至少以亚铁盐和铁盐为生产原料，亚铁盐中含有的亚铁离子与铁盐中含有的铁离子的摩尔比为1:2，硼酸盐玻璃粉料的网络形成体为B₂O₃或者为B₂O₃与SiO₂和P₂O₅中的任意一种或两种的组合，硼酸盐玻璃粉料的网络外体为金属氧化物。

其中，亚铁盐可以为亚铁氯化盐或亚铁硫酸盐；铁盐可以为铁氯化盐或铁硫酸盐；金属氧化物可以为碱金属氧化物、碱土金属氧化物或稀土金属氧化物。

上述的碱金属氧化物可以为Na₂O和K₂O中的任意一种或两种的组合；上述的碱土金属氧化物为CaO和MgO中的任意一种或两种的组合。

一种制备上述的磁性硼酸盐玻璃浆料的方法，包括以下步骤：

(1)、将B₂O₃或者B₂O₃与SiO₂和P₂O₅中的任意一种或两种的组合与金属氧化物按照配比混合，于1150±100℃下熔融1.5小时以上，淬冷、粉碎并筛分后得到粒径为30-50μm的硼酸盐玻璃粉料；

(2)、将硼酸盐玻璃粉料和磁性纳米粒子混合得到总粉料；

(3)、将无水乙醇和乙基纤维素混合后磨40min以上，然后加入总粉料，磨80min以上，得到磁性硼酸盐玻璃浆料。

其中，磁性纳米粒子占总粉料的质量百分比为5-15％；总粉料、无水乙醇和乙基纤维素的质量比为(3±1):(2.5±1.5):(0.12±0.05)。

一种制备磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的方法，包括如下步骤：

(1)、至少以磁性玻璃浆料为生产原料利用聚氨酯泡沫模板法制备灌浆玻璃支架；

(2)、将灌浆玻璃支架于80℃鼓风烘箱中至少干燥12h，置于管式控温炉中，通入保护气体；

(3)、以1.5±0.5℃/min的升温速度将管式控温炉的温度升至450±10℃，保温80±20min；

(4)、以2.5±0.5℃/min的升温速度将管式控温炉的温度升至600-650℃，保温100±20min，然后冷却，得到磁性硼酸盐生物活性玻璃支架。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

本发明涉及的磁性硼酸盐玻璃浆料至少以磁性纳米粒子和硼酸盐玻璃粉料为生产原料制成，磁性纳米粒子均匀混合掺杂在玻璃体系内。

首先，由于该磁性硼酸盐玻璃浆料的微观结构与人体的小梁骨的结构相似，故可以制成磁性硼酸盐生物活性玻璃支架并植入人体以替代缺损的骨骼。

其次，因为磁性纳米粒子具有磁热效应，当该磁性硼酸盐生物活性玻璃支架被植入人体后，能够在外加磁场的作用下，在体内产生热量，使肿瘤组织的温度升高，达到杀死肿瘤细胞的作用。另外，磁性纳米粒子能够促进成骨细胞的增殖和分化，从而不断诱导新骨的形成。

再者，因为由磁性硼酸盐玻璃浆料制成的磁性硼酸盐生物活性玻璃支架具有优良的生物可降解性能，具有较大的孔隙率并且在体内能够转变为生物骨的主要无机成分(羟基磷灰石，HA)。一方面，随着磁性硼酸盐生物活性玻璃支架在体内的不断降解，磁性纳米粒子也不断缓慢释放；另一方面，随着玻璃支架在体内的不断降解，被降解的部分能够不断被新的骨组织取代，所以植入的部分最终能完全被新生骨取代，使得磁性硼酸盐生物活性玻璃支架无需从骨骼受损伤者体内取出，减少了骨骼受损伤者的痛苦。

最后，磁性硼酸盐生物活性玻璃支架可以根据预设骨缺损模型进行缺损设计，能够适用于不同类型的骨损伤，具有宽广的应用范围。

附图说明

图1是本发明实施例1中磁性纳米粒子的X射线衍射(XRD)图；

图2是本发明实施例1中的磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的场发射扫描电镜(FESEM)图；

图3是本发明实施例1中的磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的磁热曲线图；

图4是本发明实施例1中的磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的磁滞回线图。

具体实施方式

本发明公开了一种磁性纳米粒子、磁性硼酸盐玻璃浆料、磁性硼酸盐生物活性玻璃支架及其制备方法。

<磁性纳米粒子>

磁性纳米粒子为超顺磁性四氧化三铁纳米粒子，具有出色的生物相容性和超顺磁性。该磁性纳米粒子至少以亚铁盐和铁盐为生产原料制成。其中，亚铁盐中含有的亚铁离子与铁盐中含有的铁离子的摩尔比为1:2。

其中，上述亚铁盐优选为亚铁氯化盐或亚铁硫酸盐，铁盐优选为铁氯化盐或铁硫酸盐。

<磁性纳米粒子的制备方法>

磁性纳米粒子的制备方法为化学共沉淀法，其包括以下步骤：

将亚铁盐和铁盐溶于水中，在惰性气体的保护下搅拌加热至50±5℃，缓慢加入氨水，继续搅拌缓慢加热至80±5℃，至少反应1小时，冷却、分离出褐色沉淀、洗涤并干燥后得到磁性纳米粒子。

其中，惰性气体优选为氮气。氨水作为反应物。

<磁性硼酸盐玻璃浆料>

磁性硼酸盐玻璃浆料至少以上面提及的磁性纳米粒子和硼酸盐玻璃粉料为生产原料。

其中，硼酸盐玻璃粉料的网络形成体为B₂O₃，或者为B₂O₃与SiO₂和P₂O₅中的任意一种或两种的组合。

硼酸盐玻璃粉料的网络外体为金属氧化物。金属氧化物优选为碱金属氧化物、碱土金属氧化物或稀土金属氧化物。碱金属氧化物为Na₂O和K₂O中的任意一种或两种的组合。碱土金属氧化物为CaO和MgO中的任意一种或两种的组合。

该磁性硼酸盐玻璃浆料可以用于制备磁性硼酸盐生物活性玻璃支架。

<磁性硼酸盐玻璃浆料的制备方法>

磁性硼酸盐玻璃浆料的制备方法为高温熔融法，其包括以下步骤：

(1)、将B₂O₃或者B₂O₃与SiO₂和P₂O₅中的任意一种或两种的组合与金属氧化物按照配比混合，于1150±10℃下熔融，至少保温2小时，淬冷、粉碎并筛分后得到粒径为30-50μm的硼酸盐玻璃粉料。

(2)、将硼酸盐玻璃粉料和磁性纳米粒子混合得到总粉料。

(3)、将无水乙醇和乙基纤维素混合后至少磨40min，然后加入总粉料，至少磨80min后得到磁性硼酸盐玻璃浆料。

其中，步骤(2)中的磁性纳米粒子为上面提及的磁性纳米粒子。磁性纳米粒子占总粉料的质量百分比为5-15％。

在步骤(3)中，总粉料、无水乙醇和乙基纤维素的质量比为(3±1):(2.5±1.5):(0.12±0.05)，优选为3:2.5:0.12。无水乙醇起到溶剂的作用，乙基纤维素起到粘合剂的作用。

<磁性硼酸盐生物活性玻璃支架>

磁性硼酸盐生物活性玻璃支架至少以上面提及的磁性硼酸盐玻璃浆料为生产原料制成。

该磁性硼酸盐生物活性玻璃支架为功能性的磁性硼酸盐生物活性玻璃支架，其孔隙率为80±5％，孔径大小为200-500μm，抗压强度为3-2Mpa，具有良好的生物可降解性能和较高的生物活性，其外观形貌结构也与人体的骨小梁结构相似，在体内可转变为生物骨的无机主要成分-羟基磷灰石，因此，可根据预设骨缺损模型进行设计，制备出形状不同的磁性硼酸盐生物活性玻璃支架，从而用于制备骨填充物或者骨科药物载体材料，以修复受损的骨组织并结合磁疗效果，在组织工程领域具有十分广阔的应用前景。

<磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法>

磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法包括以下步骤：

(1)、至少以磁性硼酸盐玻璃浆料为生产原料利用聚氨酯泡沫模板法制备灌浆玻璃支架；

(2)、将灌浆玻璃支架于80℃鼓风烘箱中干燥12h，置于管式控温炉中，通入保护气体；

(3)、以1.5±0.5℃/min的升温速度将管式控温炉的温度升至450±10℃，保温80±10min；

(4)、以2.5±0.5℃/min的升温速度将管式控温炉的温度升至600-650℃，保温100±10min，然后冷却，得到磁性硼酸盐生物活性玻璃支架；

其中，本制备方法经过了两次升温过程，第一次温度维持在450℃左右是为了除掉灌浆玻璃支架胚体中的泡沫模板剂(聚氨酯泡沫)，第二次温度位置在600-650℃是为了软化玻璃，使玻璃粉末互相粘合，形成分布均一的玻璃支架。分两次升温是为了得到所需的玻璃支架的形貌。如果没有第一次温度维持，制备的玻璃胚体易坍塌，从而影响到最终得到的磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的形貌。

该制备方法步骤简单、容易操作并且成本低廉。

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例提供了一种磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法，包括如下步骤：

(1)、磁性纳米粒子的制备步骤：

精确称取FeCl₂5mM和FeCl₃10mM，并将二者溶于60mL的超纯水中,在氮气保护下搅拌加热至50℃，然后缓慢加入15mL氨水，继续搅拌加热至80℃，反应1h，待反应结束后冷却至室温，分离出产生的褐色沉淀、洗涤并干燥该褐色沉淀，得到磁性纳米粒子。

其中，在该步骤中，Fe²⁺与Fe³⁺的摩尔比为1:2。

该步骤所得磁性纳米粒子的X射线衍射图(XRD)如图1所示。

(2)、硼酸盐玻璃粉料的制备步骤：

按照下表1的玻璃组分配比称取对应物质的分析纯作为玻璃原料，将各种玻璃原料充分混合均匀后，放于铂金坩埚中，于1200℃下熔制1.5h，之后于钢板或冷水中淬冷得到玻璃块，将玻璃块经过气流粉碎机粉碎，然后筛分，得到粒径为30-50μm的硼酸盐玻璃粉料。表1中最后一排数字表示各组分的重量份。其中，SiO₂或P₂O₅的添加是为了增加玻璃体的生物活性。

表1 组分配比表

(3)、磁性硼酸盐玻璃浆料的制备步骤：

分别称取步骤(1)所得磁性纳米粒子0.45g和步骤(2)所得硼酸盐玻璃粉料8.55g，混合后得到总粉料；将无水乙醇和乙基纤维素混合，用球磨机磨40min，然后加入总粉料，平磨100min后转磨80min，得到磁性硼酸盐玻璃料浆。

在该步骤中，总粉料、无水乙醇和乙基纤维素的质量比为3:2.5:0.12。磁性纳米粒子占总粉料的质量百分比为5％。

(4)、磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备步骤：

a.以步骤(3)中所得的磁性硼酸盐玻璃料浆为生产原料，利用聚氨酯模板法制备出灌浆玻璃支架；

b.将该灌浆玻璃支架于80℃鼓风烘箱中干燥12h，然后放置于管式控温炉中，通入H₂和N₂的混合气体作为保护气体；

c.以1.5℃/min的升温速度将管式控温炉的温度升至450℃，保温60min；

d.以2.5℃/min的升温速度将管式控温炉的温度升至600-650℃之间，保温120min，然后冷却，得到磁性硼酸盐生物活性玻璃支架。

在该步骤中，H₂和N₂的体积比为5:95。

该步骤所得磁性硼酸盐生物活性玻璃支架在放置90天后的场发射扫描电镜图(FESEM)如图2所示。由图2可知，磁性硼酸盐生物活性玻璃支架为多孔的连通结构，孔径分布为250-500m，其微观结构与人体小梁骨一样。

该步骤所得磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的磁热曲线如图3所示，磁滞回线如图4所示。由图4可知，磁滞回线通过原点，几乎没有剩磁和矫顽力，显示出典型的超顺磁特性。该结果显示磁性硼酸盐生物活性玻璃支架具有良好的磁响应性。

实施例2

本实施例提供了一种硼酸盐磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法，包括如下步骤：

(1)、磁性纳米粒子的制备步骤：

精确称取FeSO₄5mM和Fe₂(SO₄)₃5mM，并将二者溶于60mL的超纯水中,在氮气保护下搅拌加热至50℃，然后缓慢加入15mL氨水，继续搅拌加热至80℃，反应1h，待反应结束后冷却至室温，分离出产生的褐色沉淀、洗涤并干燥该褐色沉淀，得到磁性纳米粒子。

其中，在该步骤中，Fe²⁺与Fe³⁺的摩尔比为1:2。

(2)、硼酸盐玻璃粉料的制备步骤：

按照表1的玻璃组分配比称取对应物质的分析纯作为玻璃原料，将各种玻璃原料充分混合均匀后，放于铂金坩埚中，于1200℃下熔制1.5h，之后于钢板或冷水中淬冷得到玻璃块，将玻璃块经过气流粉碎机粉碎，然后筛分，得到粒径为30-50μm的硼酸盐玻璃粉料。

(3)、磁性硼酸盐玻璃浆料的制备步骤：

分别称取步骤(1)所得磁性纳米粒子0.9g和步骤(2)所得硼酸盐玻璃粉料8.1g，混合后得到总粉料；将无水乙醇和乙基纤维素混合，用球磨机磨40min，然后加入总粉料，平磨100min后转磨80min，得到磁性硼酸盐玻璃浆料。

在该步骤中，总粉料、无水乙醇和乙基纤维素的质量比为3:2.5:0.12。磁性纳米粒子占总粉料的质量百分比为10％。

(4)、磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备步骤：

a.以步骤(3)中所得磁性硼酸盐玻璃浆料为生产原料，利用聚氨酯模板法制备出灌浆玻璃支架；

b.将该灌浆玻璃支架于80℃鼓风烘箱中干燥12h，然后放置于管式控温炉中，通入H₂和N₂的混合气体作为保护气体；

c.以1.5℃/min作为保护的升温速度将管式控温炉的温度升至450℃，保温60min；

d.以2.5℃/min升温速度将管式控温炉的温度升至600-650℃之间，保温120min，然后冷却，得到磁性硼酸盐生物活性玻璃支架。

在该步骤中，H₂和N₂的体积比为5:95。

实施例3

本实施例提供了一种硼酸盐磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备方法，包括如下步骤：

(1)、磁性纳米粒子的制备步骤：

精确称取FeCl₂5mM和FeCl₃10mM，并将二者溶于60mL的超纯水中,在氮气保护下搅拌加热至50℃，然后缓慢加入15mL氨水，继续搅拌加热至80℃，反应1h，待反应结束后冷却至室温，分离出产生的褐色沉淀、洗涤并干燥该褐色沉淀，得到磁性纳米粒子。

其中，在该步骤中，Fe²⁺与Fe³⁺的摩尔比为1:2。

(2)、硼酸盐玻璃粉料的制备步骤：

按照表1的玻璃组分配比称取对应物质的分析纯作为玻璃原料，将各种玻璃原料充分混合均匀后，放于铂金坩埚中，于1200℃下熔制2h，之后于钢板或冷水中淬冷得到玻璃块，将玻璃块经过气流粉碎机粉碎，然后筛分，得到粒径为30-50μm的硼酸盐玻璃粉料。

(3)、磁性硼酸盐玻璃浆料的制备步骤：

分别称取步骤(1)所得磁性纳米粒子1.35g和步骤(2)所得硼酸盐玻璃粉料7.65g，混合后得到总粉料；将无水乙醇和乙基纤维素混合，用球磨机磨40min，然后加入总粉料，平磨100min后转磨80min，得到磁性硼酸盐玻璃料浆。

在该步骤中，总粉料、无水乙醇和乙基纤维素的质量比为3:2.5:0.12。磁性纳米粒子占总粉料的质量百分比为15％；

(4)、磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的制备步骤：

a.以步骤(3)中所得的磁性硼酸盐玻璃料浆为生产原料，利用聚氨酯模板法制备出灌浆玻璃支架；

b.将该灌浆玻璃支架于80℃鼓风烘箱中干燥12h，然后放置于管式控温炉中，通入H₂和N₂的混合气体作为保护气体；

c.以1.5℃/min的升温速度将管式控温炉的温度升至450℃，保温60min；

d.以2.5℃/min的升温速度将管式控温炉的温度升至600-650℃之间，保温120min，然后冷却，得到磁性硼酸盐生物活性玻璃支架。

在该步骤中，H₂和N₂的体积比为5:95。

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使用本发明。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，本发明不限于上述实施例，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 (5)

1.一种磁性硼酸盐玻璃浆料，其特征在于：所述磁性硼酸盐玻璃浆料至少以磁性纳米粒子和硼酸盐玻璃粉料为生产原料，所述磁性纳米粒子至少以亚铁盐和铁盐为生产原料，所述亚铁盐中含有的亚铁离子与所述铁盐中含有的铁离子的摩尔比为1:2，所述硼酸盐玻璃粉料的网络形成体为B₂O₃，或者为B₂O₃与SiO₂和P₂O₅中的任意一种或两种的组合，所述硼酸盐玻璃粉料的网络外体为金属氧化物。

2.根据权利要求1所述的磁性硼酸盐玻璃浆料，其特征在于：所述亚铁盐为亚铁氯化盐或亚铁硫酸盐；或者，所述铁盐为铁氯化盐或铁硫酸盐；或者，所述金属氧化物为碱金属氧化物、碱土金属氧化物或稀土金属氧化物。

3.根据权利要求2所述的磁性硼酸盐玻璃浆料，其特征在于：所述碱金属氧化物为Na₂O和K₂O中的任意一种或两种的组合；或者，所述碱土金属氧化物为CaO和MgO中的任意一种或两种的组合。

4.一种制备如权利要求1至3中任一所述的磁性硼酸盐玻璃浆料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、将B₂O₃或者B₂O₃与SiO₂和P₂O₅中的任意一种或两种的组合与金属氧化物混合，于1150±100℃下熔融1.5小时以上，淬冷、粉碎并筛分后得到粒径为30-50μm的硼酸盐玻璃粉料；

(2)、将所述硼酸盐玻璃粉料和磁性纳米粒子混合得到总粉料；

(3)、将无水乙醇和乙基纤维素混合后磨40min以上，然后加入所述总粉料，磨80min以上，得到磁性硼酸盐玻璃浆料；

所述磁性纳米粒子占所述总粉料的质量百分比为5-15％；

所述总粉料、所述无水乙醇和所述乙基纤维素的质量比为(3±1):(2.5±1.5):(0.12±0.05)。

5.一种制备磁性硼酸盐生物活性玻璃支架的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、至少以权利要求1至3中任一所述的磁性硼酸盐玻璃浆料为生产原料利用聚氨酯泡沫模板法制备灌浆玻璃支架；

(2)、将所述灌浆玻璃支架于80℃鼓风烘箱中至少干燥12h，置于管式控温炉中，通入保护气体；

(3)、以1.5±0.5℃/min的升温速度将所述管式控温炉的温度升至450±10℃，保温80±20min；

(4)、以2.5±0.5℃/min的升温速度将所述管式控温炉的温度升至600-650℃，保温100±20min，然后冷却，得到磁性硼酸盐生物活性玻璃支架。