CN107823718A - 一种含铷多级介孔生物活性玻璃及其制备方法和应用 - Google Patents

一种含铷多级介孔生物活性玻璃及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于骨损伤及相关组织修复医用材料领域，具体公开了一种含铷多级介孔生物活性玻璃及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)将模板剂、钙源、磷源、硅源溶解于乙醇获得溶液A；将铷源溶解于去离子水中获得溶液B；(2)将B溶液与A溶液混合，借助磁力搅拌器搅拌6‑12小时，获得混合凝胶；(3)将聚氨酯海绵浸入步骤(3)的混合凝胶中10‑20分钟，再将海绵取出加热吹干，并按此步骤重复3‑6次；(4)待完全干燥后经锻烧，得到含铷介孔生物活性玻璃药物载体。本发明生物活性玻璃及药物载体具有比表面积高、生物相容性好，抗菌性强等优点，适用于骨修复材料，促进相关组织伤口愈合，防止细菌感染。

Description

一种含铷多级介孔生物活性玻璃及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于多功能生物医用材料领域，具体涉及一种含铷多级介孔生物活性玻璃及其制备方法，并将其作为药物载体用于骨修复方面。
背景技术
治疗骨缺损，特别是由创伤，感染，肿瘤或遗传畸形引起的大骨缺损，对临床医生来说是一个重大挑战。为了解决这些问题，生物活性介孔支架被广泛研究而用于骨组织再生。为了更好地再生缺损的骨组织，生物活性支架不仅应具有骨传导性(用于指导新骨生长)，而且还应具有刺激成骨(用于促进新骨形成)和血管生成(用于诱导血管形成)的能力。此外，在骨重建手术中，由细菌感染引起的骨髓炎是一种常存在的和严重的并发症。常规治疗有全身抗生素给药，手术清创术，伤口引流和植入物去除。但是，这些方法都是相当低效的，并且可能导致患者的额外的外科手术。解决这个问题的新方法是将局部药物释放系统引入植入部位。这种处理的优点包括高递送效率，连续作用，降低毒性和对患者的便利性。因此，具有内置药物递送和抗菌性质的生物活性支架将对骨组织再生非常有用，并且可以降低由感染引起骨髓炎的风险。
基于以上原因，用于治疗骨缺损的理想的生物活性多孔支架应该具有促进血管生成，骨刺激，药物递送与抗菌性质相结合的多功能性。然而，如何开发具有多功能性质的生物活性多孔支架仍然是一个重大的挑战。作为典型的生物活性无机材料，生物活性玻璃(BG)从引起了广泛的关注。当植入生物骨组织时，BG可以在BG和宿主骨之间的界面处诱导生物活性碳酸羟基磷灰石(CHA)层的形成。与生物活性玻璃(BG)相比，介孔生物活性支架(MBG)的独特特征是具有显着改善的比表面积且含有有序结构的纳米介孔孔道结构使得它具有更强大的药物吸附和递送能力。由于MBG潜在的骨组织再生生物活性，与药物/生长因子递送相结合进行可控释放是非常有意义的，进而改善、如成骨，血管发生，抗细菌/癌症活性的功能特性。然而现有制备多级介孔生物活性玻璃(简称MBG)的方法采用的是一步到位的方式，即所有原料一站式聚集在一个烧杯搅拌24h，未考虑到目标掺杂离子盐溶液的溶解度，导致掺杂离子摩尔比例高于5％就会在制备过程中出现过饱和无法全部溶解，而未溶解的盐在烧结过程中影响体系的稳定性，大大破坏孔径分布稳定性，从而影响载药性能。其次，制备搅拌过程较长需要12-24h，且每次浸泡时间需要10-20min，重复4-10次，周期长达3天。
现有的铷一般作为锂铯的伴生矿，被矿冶及电池行业当作副产品，鲜有应用于生物材料。而依诺沙星(Enoxacin)是第三代的氟喹诺酮类光谱抗生素，在体外和体内对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均有作用，最近有研究表明，Enoxacin作为一种小分子，可刺激RNA干扰(RNAi)，并在癌症中有选择性地作为生长抑制剂，但不能在未转化的细胞中起作用，为癌症特异性靶向开辟新的机会。此前有研究证明依诺沙星可抑制破骨细胞的形成和功能。但由于依诺沙星疏水，不溶于水，在生理盐水，酒精等溶液中微溶，目前仍没有有效负载依诺沙星的方法。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术的缺陷，提供一种含铷多级介孔生物活性玻璃及其制备方法，采用溶胶-凝胶法，将铷加入多级介孔生物活性玻璃中，改善该体系无法掺杂高浓度盐溶液的问题，能保证离子掺杂之后材料的稳定性，同时极大地缩短了制备时间。
本发明的另一目的在于，将含铷多级介孔生物活性玻璃作为药物载体，用于骨修复方面。本发明的MBG能有效负载依诺沙星，使药物长效释放，促进骨细胞增殖，预防骨感染。
本发明的技术方案如下：
一种含铷多级介孔生物活性玻璃的制备方法，包括如下步骤：
(1)将模板剂、钙源、磷源、硅源溶解于乙醇获得溶液A；将铷源溶解于去离子水中获得溶液B；
(2)将B溶液与A溶液混合，借助磁力搅拌器搅拌6-12小时，获得混合凝胶；混合凝胶中铷、钙、磷及硅元素的摩尔比为(2-10)：(5-15)：(5-10)：(70-80)；
(3)将聚氨酯海绵浸入步骤(3)的混合凝胶中10-20分钟，再将海绵取出加热吹干，并按此步骤重复3-6次(即质量差在3％左右，停止浸泡)；
(4)待完全干燥后于600℃-700℃锻烧5-8小时，得到含铷介孔生物活性玻璃药物载体。
步骤(2)溶液混合的温度为20℃-40℃。
步骤(3)所述加热吹干是采用吹风机或热风机加热5-10分钟。
所述铷源为氯化铷、硝酸铷或碳酸铷。
所述钙源为硝酸钙、氯化钙；磷源为磷酸三乙酯。
硅源为正硅酸乙酯。所述模板剂为P123、F68或F127。
所述混合凝胶中铷、钙、磷及硅元素的摩尔比为(2-5)：(5-10)：(5-10)：(70-80)。
上述方法制备的含铷多级介孔生物活性玻璃可用作药物载体，所述药物为依诺沙星，具体包括如下步骤：
(1)将依诺沙星用溶剂溶解，制成依诺沙星溶液；
(2)将载体浸入依诺沙星溶液中浸泡4-24h；
(3)将浸泡过的载体取出，在35-45℃条件下干燥12-24h即可。
所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、己烷或者磷酸盐缓冲液；所述依诺沙星溶液的浓度为0.01-1mol/L。
所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、己烷时，浸泡温度为0-8℃；所述溶剂为磷酸盐缓冲液时，浸泡温度为20-40℃，磷酸盐缓冲液的浓度为0.01-1mol/L。
所述的药物载体应用于骨修复材料及相关组织修复，尤其适用于骨科非承重部位修补，促进相关组织伤口愈合，防止细菌感染。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明改善了现有技术无法掺杂高浓度盐溶液的问题，可以将5％以上具有治疗效果的盐固体溶解于此体系，使治疗作用的离子充分掺杂，保证了掺杂之后材料的稳定性。
(2)本发明含铷多级介孔生物活性玻璃及药物载体的比表面积高、生物相容性好；且制备方法所用时间缩短了50％，周期减少至1-2天。
(3)本发明将铷加入到MBG支架之中，并且保留了此体系优异的大孔，中孔相互贯通的特点，并且成功将依诺沙星负载，MBG载药率在28％-34％之间，经过测试释放，稳定释放长达168小时以上。
(4)将低毒或无毒有效溶剂用以溶解依诺沙星，且不影响MBG支架物理化学性能并将MBG与其有效负载，充分发挥铷，支架，依诺沙星三者对于骨修复的协同作用。经过MTT细胞毒性测试发现含铷MBG支架对骨髓干细胞增殖具有促进作用，且促进与铷离子浓度成正相关，具有一定的抑菌性能，负载的依诺沙星明显提升了细胞的增殖，并且具有较强的抗菌能力。
附图说明
图1为0Rb-MBG和含5Rb-MBG，10Rb-MBG的XRD图谱。
图2为0Rb-MBG支架(a)5Rb-MBG支架(b)10Rb-MBG(c)的扫描电镜图
图3为0Rb-MBG支架(a)5Rb-MBG支架(b)10Rb-MBG(c)的透射电镜图。
图4为0Rb-MBG和含5Rb-MBG，10Rb-MBG支架中依诺沙星的释放曲线以及对应支架(小图)中依诺沙星的负载量。
图5为0Rb-MBG，5Rb-MBG，5Rb-MBG-ENX(负载依诺沙星)支架中对人骨髓干细胞增殖能力测试图。
图6为0Rb-MBG(a)和含5Rb-MBG(b)及5Rb-MBG负载依诺沙星(c)对大肠杆菌测试图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
本实施例所述不含铷MBG的制备方法，包括如下步骤：
a将8gP123、2.79g硝酸钙、1.44g磷酸三乙酯、13.4g正硅酸乙酯溶解于120g乙醇获得溶液A，其中钙、磷及硅元素的摩尔比为15：5：80。
b将溶液混合在20℃下烧杯中，借助磁力搅拌器搅拌12小时。
c将聚氨酯海绵浸入凝胶10分钟，后将海绵转入培养皿，吹风机加热，吹干5分钟，并按此步骤重复4次。
d待完全干燥后700℃锻烧5小时，得到不含铷介孔生物活性玻璃药物载体。
实施例2
本实施例所述含铷MBG的制备方法，包括如下步骤：
a将8g模板剂P123、1.86g硝酸钙、1.44g磷酸三乙酯、13.4g正硅酸乙酯溶解于120g乙醇获得溶液A。
b将目标掺杂物氯化铷0.48g溶解于10ml去离子水得溶液B，其中铷、钙、磷、硅的四种元素摩尔比为5:10:5:80。
c将溶液B倒入溶液A混合在20℃下烧杯中，借助磁力搅拌器搅拌12小时，获得混合凝胶。
d将聚氨酯海绵浸入获得的凝胶10分钟，将海绵转入培养皿，吹风机加热，吹干5分钟，并按此步骤重复4次。
e待完全干燥后，700℃锻烧5小时，得到含铷介孔生物活性玻璃药物载体(5Rb-MBG支架)。
实施例3
本实施例所述含铷MBG的制备方法，包括如下步骤：
a将8g模板剂P123、0.93g硝酸钙、1.44g磷酸三乙酯、13.4g正硅酸乙酯溶解于120g乙醇获得溶液A。
b将目标掺杂物氯化铷0.96g溶解于20ml去离子水得溶液B，其中铷、钙、磷、硅的四种元素摩尔比为10:5:5:80。
c将溶液B倒入溶液A混合在20℃下烧杯中，借助磁力搅拌器搅拌12小时，获得混合凝胶。
d将聚氨酯海绵浸入获得的凝胶10分钟，将海绵转入培养皿，吹风机加热，吹干5分钟，并按此步骤重复4次。
e待完全干燥后，700℃锻烧5小时，得到含铷介孔生物活性玻璃药物载体(10Rb-MBG支架)。
实施例4
以下为了更能说明问题，以实施例2为研究对象。
含铷MBG作药物载体的应用，包括如下步骤：
(1)将依诺沙星加入磷酸缓冲液(PBS)中，配成浓度为0.05mol/L的依诺沙星溶液，磷酸缓冲液的浓度为0.05mol/L。
(2)将载体浸入依诺沙星溶液中，加热温度37℃，浸泡12h。
(3)将浸泡过的载体支架取出，在37℃条件下的干燥箱中干燥12h，制得含依诺沙星的MBG支架。
如图1所示，X射线分析支架的物相结构为典型的玻璃非晶态宽峰。如图2所示，扫描分析可知3种支架都有相似的大孔结构，范围300-500μm。如图3所示，透射分析3种材料都具有较好的介孔通道结构，孔径大约4.5-5.5nm。
为了降低因为感染而引起骨髓炎的风险，我们采取3D支架局部输送药物解决这一问题。将依诺沙星作为动力学的模型药物评估含Rb的MBG支架的负载和释放能力。通过测量装载前后的依诺沙星浓度来确定加载效率(Enoxacin质量/支架质量)。0Rb-MBG，5Rb-MBG，10Rb-MBG的加载效率彼此不同，估计分别为33.58％，24.40％，24.98％。
图4显示从0Rb-MBG，5Rb-MBG，10Rb-MBG支架PBS(0.1M，37℃)中累积的依诺沙星释放，5Rb-MBG比其他组材料具有更高的药物释放速率，初始爆发后缓慢释放。不同含铷MBG支架的依诺沙星释放速率有一点差异。因此，由于存在良好有序的介孔结构，将Rb掺入到MBGs支架中可以保持持续释放，Rb-MBGs支架可以用作骨组织工程的局部药物递送系统。
如图5所示，添加铷以及依诺沙星有利于人骨髓间充质干细胞增殖。
如图6所示：含铷MBG对于细菌具有抑制作用，含铷MBG负载依诺沙星具有杀菌抗菌作用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含铷多级介孔生物活性玻璃的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将模板剂、钙源、磷源、硅源溶解于乙醇获得溶液A；将铷源溶解于去离子水中获得溶液B；
(2)将B溶液与A溶液混合，借助磁力搅拌器搅拌6-12小时，获得混合凝胶；混合凝胶中铷、钙、磷及硅元素的摩尔比为(2-10)：(5-15)：(5-10)：(70-80)；
(3)将聚氨酯海绵浸入步骤(3)的混合凝胶中10-20分钟，再将海绵取出加热吹干，并按此步骤重复3-6次；
(4)待完全干燥后于600℃-700℃锻烧5-8小时，得到含铷介孔生物活性玻璃药物载体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述加热吹干是采用吹风机或热风机加热5-10分钟。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铷源为氯化铷、硝酸铷或碳酸铷；所述钙源为硝酸钙、氯化钙；磷源为磷酸三乙酯；硅源为正硅酸乙酯；所述模板剂为P123、F68或F127。
4.根据权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述混合凝胶中铷、钙、磷及硅元素的摩尔比为(2-5)：(5-10)：(5-10)：(70-80)。
5.权利要求1～4任意一项方法制备的含铷多级介孔生物活性玻璃。
6.权利要求5所述含铷多级介孔生物活性玻璃的应用，其特征在于，它用作药物载体。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述药物为依诺沙星，具体包括如下步骤：
(1)将依诺沙星用溶剂溶解，制成依诺沙星溶液；
(2)将载体浸入依诺沙星溶液中浸泡4-24h；
(3)将浸泡过的载体取出，在35-45℃条件下干燥12-24h即可。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、己烷或者磷酸盐缓冲液；所述依诺沙星溶液的浓度为0.01-1mol/L。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、己烷时，浸泡温度为0-8℃；所述溶剂为磷酸盐缓冲液时，浸泡温度为20-45℃，磷酸盐缓冲液的浓度为0.01-1mol/L。
10.根据权利要求6或7或8或9所述的应用，其特征在于，所述药物载体应用于骨修复材料及相关组织修复。
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