CN107129157A - 一种三维多孔生物活性玻璃的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维多孔生物活性玻璃的制备方法。首先通过水热法制备三维多孔硅酸盐纳米片阵列作为该生物活性玻璃的主体支架材料。通过调控浓度和反应时间来调控大孔硅酸盐纳米片的孔径和纳米片的尺寸。然后通过水热法将微孔分子筛负载在硅酸盐纳米片上，从而得到分级结构的三维多孔生物活性玻璃。该方法制备的生物活性玻璃具有与天然骨骼材料的结构相似。微孔分子筛具有药物缓释功能，复合结构与功能仿生学原理。同时该生物活性玻璃具有良好的生物相容性、生物活性和药物缓释功能。能够促进细胞在该生物活性玻璃表面上的粘附、增殖和分化。这种三维多孔有序生物活性玻璃可作为新一代骨替代材料和骨修复的生物支架材料。

Description

一种三维多孔生物活性玻璃的制备方法

技术领域

本发明涉及一种两步水热法制备分级多孔生物活性玻璃新方法。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，由于交通意外、老龄化等社会问题造成的骨损伤、骨折等疾病不断增加，研究替代人体骨骼等器官的需求迫在眉睫。目前对用于人体的结构仿生替代材料的主要要求是：1、替代材料具有良好的生物相容性和生物活性，能够与人体租住成键联结。2、替代材料对人体组织无毒副作用，能够与组织细胞良好结合，促进细胞的增值和分化。3、替代材料具有一定的机械强度和韧性以及弹性模量与人体骨骼相匹配，能够替代原有材料的全部功能或部分功能。

目前用于人体的结构仿生替代材料主要有无机结构仿生生物材料、有机结构仿生物材料和复合结构仿生物材料。而无机结构仿生生物材料粉体显现出易堆积，且烧结后易形成无序结构，与人体骨骼材料多孔有序结构相差较大。结构仿生差。且其力学性能包括脆性大、韧性差、易断裂以及抗弯强度低，有机结构仿生物材料。例如一些高分子基质的有机结构仿生生物材料，其力学性能差、难以加工成型、降解率与成骨速率不协调，且高分子基质存在残留粒子，这些成分难以除去。在应用于人体后难以降解。且讲解后对人体造成二次伤害。因而其应用受到较多的限制，在人体中无法应用于支撑部位，难以满足医学临床要求。而复合材料能够综两种或两种以上的材料的性能优点，弥补单一材料性能上的不足或缺陷。满足人们对材料的不同需求，因而研究新型复合结构仿生型生物材料已经引起了各国研究人员的高度重视和深入研究。

七十年代初，Hench首次报道了其开发成功的45S5玻璃具有良好的生物活性和生物相容性，能够与人次细胞组织良好的成键联结。45S5玻璃的组成为 24.5wt％Na₂O、4.5wt％CaO₂、6.0wt％P₂O₅、45wt％SiO₂。Hench在Na₂O-CaO-SiO₂玻璃中加入6wt％的P₂O₅，使得整体材料的成分更加接近人体骨骼，这种新型材料不仅对人体无害，而且增加了其生物活性。后来经过不断地发展，这种具有生物活性的玻璃被人们称为生物玻璃。

生物玻璃是一种新型的人造仿生材料。是无机生物医用材料中的一个重要分支，现主要应用于人骨科、牙科等领域。它的结构类似于人骨和天然牙。人造骨可以依靠人体体液补充某些例子而形成新骨，通过体液的循环，可以在生物玻璃、软组织和骨骼接合界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼的牢固结合，最终形成羟基碳酸盐磷灰石层，从而进一步的诱导骨修复与再生。同时，生物玻璃还可以通过改变其各组分的含量而调节器生物活性、力学性能和降解性，从而满足临床上的不同需求。但生物玻璃存在的脆性高、机械强度低、弹性模量较高等缺点，是限制其应用的重要因素。

目前研究人员正努力克服这些困难。如今生物玻璃仿生材料的研究和临床应用已经成为材料学、物理化学、医学、生命科学等学科交叉的研究热点，给人类的医疗健康带来了重大改善，越来越受到人们的重视。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的结构仿生型人工骨骼材料的不足，提供了一种两步水热法制备分级多孔生物活性玻璃新方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种三维多孔生物活性玻璃的水热法制备，该方法具体为：

a)将玻璃在去离子水中超声清洗10min；

b)将清洗后的玻璃和浓度为1-4mol/L的NaOH溶液置于高压反应釜的内衬中，使得NaOH溶液完全浸没玻璃。然后将高压釜置于在150℃的烘箱中水热反应4-10h。在NaOH的腐蚀下，玻璃表面生成一层三维多孔网状多孔硅酸盐纳米片阵列。

c)将步骤2处理后的玻璃和浓度为1g/L的十六烷基三甲基溴化铵水溶液置于高压反应釜的内衬中，使得十六烷基三甲基溴化铵水溶液完全浸没玻璃。将高压釜置于90℃的烘箱中，水热反应60-120min，自组装成分级多孔生物活性玻璃。

本发明的有益结果是：本发明采用两步水热法制备分级多孔生物活性玻璃。这种新型的生物活性玻璃在结构上具有与天然骨骼材料相似的网孔状结构。因而符合仿生学基本原理。这种多孔结构为细胞的粘附、增殖提供了更多的空间。与此同时在硅酸盐纳米片上负载了沸石分子筛，沸石分子筛具有优异的吸附性能，能够吸附更多的药物，从而极大的提高该生物活性玻璃的药物缓释能力。可以作为新一代的骨替代材料和骨修复的生物支架材料。本发明能简单﹑快速﹑稳定﹑大批量的制备出分级多孔生物活性玻璃。

附图说明

图1是本发明在不同NaOH浓度下的三维多孔生物活性玻璃的主体支架材料-多孔硅酸盐纳米片阵列的SEM图；

图2是本发明在不同反应时间下的三维多孔生物活性玻璃的主体支架材料- 多孔硅酸盐纳米片阵列的SEM图；

图3是本发明结构仿生型三维多孔生物活性玻璃在不同十六烷基三甲基溴化铵加入量下的SEM图。其中，A：0.05g；B：0.0 3g；C：0.02g；D：0.01g。

图4是本发明结构仿生型三维多孔生物活性玻璃的细胞培养荧光显微镜图。其中，A：1d；B：3d；C：5d；D：7d。

图5是结构仿生型生物玻璃的MTT(左)、ALP(右)直方图；其中，1：未添加沸石分子筛；2：添加沸石分子筛；细胞培养时间为：1d；2d；5d；7d。

具体实施方式

本发明一种两步水热法制备分级多孔生物活性玻璃新方法，该方法具体为：

1、先将玻璃分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，然后将玻璃放入高压釜中。再向高压釜中加入加入浓度为1-4mol/L的NaOH溶液至浸没玻璃，在 150℃的烘箱中进行水热反应4-10h，最后在玻璃表面得到多孔硅酸盐纳米片阵列。

2、称取0.01g十六烷基三甲基溴化铵倒入盛有多孔硅酸盐纳米片阵列的上述高压反应釜中，最后将反应釜放入90℃下的烘箱中反应2h后，得到分级多孔生物活性玻璃。

对分级多孔生物活性玻璃的表征：用日立S-4800扫描电子显微镜(SEM)对所制备的多孔硅酸盐纳米片阵列和分级多孔生物活性玻璃进行表征。先将样品固定在导电胶上，用10kV的Pt溅射镀层20秒，然后拍摄SEM图。

实施例

图1所示，为多孔硅酸盐纳米片在不同的NaOH浓度下的形貌变化，当NaOH 浓度为1mol/L时，在玻璃的导电面形成一层均匀有序的硅酸盐纳米片阵列，硅酸盐纳米片的尺寸在500nm左右，相邻的纳米片紧密相邻，形成一个尺寸为400 nm左右的孔道，大面积的纳米片紧密排列在一起从而形成多孔硅酸盐纳米片阵列。当NaOH浓度为2mol/L时，在玻璃上依然形成一层均匀有序的硅酸盐纳米片阵列，此时硅酸盐纳米片的尺寸减小为200nm左右，相邻的硅酸盐纳米片之间紧密相连，形成一个个尺寸为100nm左右的孔道，大面积的纳米片紧密排列在一起从而形成多孔硅酸盐纳米片阵列；随着NaOH浓度的不断增加，硅酸盐纳米片的尺寸不断增加。当NaOH浓度增加到3mol/L时，硅酸盐纳米片的尺寸增加到1um左右，此时硅酸盐纳米片的大小变得不均匀，纳米片之间的孔道也进一步变大且孔道尺寸变得不均匀；当NaOH的浓度增加到4mol/L时，硅酸盐纳米片的尺寸变得更加不均匀，出现大小重叠，上下多层结构。综上所述，当NaOH浓度为2mol/L时，硅酸盐纳米片阵列最佳，纳米片均匀有序，尺寸在 100nm左右。

图2所示，当设置NaOH浓度为2mol/L时，多孔硅酸盐纳米片在不同反应时间下的形貌变化图。当水热反应时间为4h时，在玻璃表面上长有均匀有序的硅酸盐纳米片阵列，硅酸盐纳米片的尺寸在100nm左右；当水热反应时间提高到6h时，硅酸盐纳米片逐渐长大，部分纳米片发生弯曲，导致纳米片围成的孔道变小；当水热反应时间为10h时，硅酸盐纳米片进一步长大，尺寸不均匀，纳米片向各个方向不规则的生长，从而破坏了硅酸盐纳米片阵列宏观上的多孔结构。由此可见，随着水热反应时间的增加，硅酸盐纳米片不断长大，且慢慢发生弯曲，当水热反应时间达到10h时，硅酸盐纳米片进一步生长，破坏了硅酸盐纳米片阵列的多孔结构。

图3所示，当NaOH浓度为2mol/L、反应时间为6h时，结构仿生型生物玻璃随沸石分子筛加入了的不同，其形貌变化的SEM图，由图可知，当沸石分子筛的加入量为0.05g时，沸石分子筛的量过大，以至于将多孔硅酸盐纳米片阵列的孔道全部堵塞，已经破坏了硅酸盐纳米片的多孔结构如A图所示；当减少沸石沸石分子筛的加入量至0.03g时，硅酸盐纳米片阵列有少量的孔道未被沸石分子筛堵住，但整体上沸石分子筛大面积的粘附在硅酸盐纳米片上。随着沸石分子筛的加入量不断减少，粘附在硅酸盐纳米片上的沸石分子筛不断减少，硅酸盐纳米片之间形成的孔道逐渐显现出来，当沸石分子筛的加入量为0.01g 时，在多孔硅酸盐纳米片的表面和界面上长有大量的颗粒尺寸为50nm左右的沸石分子筛，沸石分子筛晶体均匀的分布在纳米片上。综上所述，控制沸石分子筛的加入量可以实现沸石分子筛在硅酸盐纳米片上的均匀生长，增大硅酸盐纳米片的表面积和比表面积。同时沸石分子筛具有较强的吸附性，为下一步的生物细胞实验中的细胞提供大量的繁殖空间。

图4所示，在细胞培养1-3天时，MG63细胞开始在该生物玻璃上生长繁殖，数量不断增加，随着培养时间的不断增加，当细胞培养时间增加到7天时，MG63 细胞已经覆盖了整个生物玻璃的表面，由此说明该结构仿生型生物玻璃具有优异的生物相容性。其独特的网状结构和其表面负载的多孔沸石分子筛能够促进 MG63细胞的粘附、增殖和分化。

图5所示，由图可知，添加沸石分子筛后的生物玻璃与硅酸盐纳米片阵列的细胞MTT和ALP测试结果都要高，当细胞培养持续到第三天时，添加沸石分子筛的生物玻璃的优势逐渐显现出来，其表面和孔道内存在着更多的MG63 细胞。当细胞共培养至第七天时，结构仿生型生物玻璃表面粘附的MG63细胞明显比硅酸盐纳米片表面粘附的细胞要多，由此证明了添加了沸石分子筛后的结构仿生型生物玻璃具有良好的生物相容性，能够促进和诱导MG63细胞的粘附、增殖和分化。

Claims (1)

1.一种三维多孔生物活性玻璃的制备方法，其特征在于，该方法具体为：

a)将玻璃在去离子水中超声清洗10min；

b)将清洗后的玻璃和浓度为1-4mol/L的NaOH溶液置于高压反应釜的内衬中，使得NaOH溶液完全浸没玻璃。然后将高压釜置于在150℃的烘箱中水热反应4-10h。在NaOH的腐蚀下，玻璃表面生成一层三维多孔网状多孔硅酸盐纳米片阵列。

c)将步骤2处理后的玻璃和浓度为1g/L的十六烷基三甲基溴化铵水溶液置于高压反应釜的内衬中，使得十六烷基三甲基溴化铵水溶液完全浸没玻璃。将高压釜置于90℃的烘箱中，水热反应60-120min，自组装成分级多孔生物活性玻璃。