CN109415245B - 生物活性铝硼酸盐玻璃 - Google Patents

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Abstract

如本文所定义，一种铝硼酸盐玻璃组合物，其包含B2O3、Al2O3、P2O5、Na2O、和CaO。还揭示了生物活性组合物，其包含所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物、合适的流体、以及至少一种活细胞。如本文所定义，还揭示了抑制从所揭示的含铝硼酸盐玻璃组合物释放到水性溶液中的硼的量的方法。如本文所定义，还揭示了在生物活性基材上增殖细胞的方法。

Description

生物活性铝硼酸盐玻璃
本申请根据35 U.S.C.§119，要求2016年05月27日提交的美国临时申请系列第62/342,384号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
相关申请的交叉参考
本申请涉及如下同时提交的且共同拥有和转让的USSN临时申请系列：
第62/342,377号，题为“MAGNETIZABLE GLASS CERAMIC COMPOSITION ANDMETHODS THEREOF(可磁化玻璃陶瓷组合物及其方法)”；
第62/342,381号，题为“LITHIUM DISILICATE GLASS-CERAMIC COMPOSITIONS ANDMETHODS THEREOF(二硅酸锂玻璃陶瓷组合物及其方法)；”
第62/342,391号，题为“BIODEGRADABLE MICROBEADS(可生物降解微珠粒)”；
第62/342,411号，题为“BIOACTIVE GLASS MICROSPHERES(生物活性玻璃微球体)”；以及
第62/342,426号，题为“BIOACTIVE BOROPHOSPHATE GLASSES(生物活性硼磷酸盐玻璃)”，但是没有要求它们的优先权。
本申请还涉及2015年7月7日提交的共同拥有和转让的USSN临时申请系列第62/189,880号，题为“ANTIMICROBIAL PHASE-SEPARATING GLASS AND GLASS CERAMICARTICLES AND LAMINATES(抗微生物相分离玻璃以及玻璃陶瓷制品和层叠体)”，其提到了具有(释放了铜离子的)可降解相和不可降解相的含铜层叠体，但是没有要求其优先权。
本文所述的出版物或专利文献的全文内容分别通过参考结合于本文。
背景技术
本公开涉及生物活性玻璃组合物，以及该组合物的制造和使用方法。
发明内容
在一些实施方式中，本公开提供了：
生物活性铝硼酸盐玻璃组合物；
一组铝硼酸盐玻璃组合物，其以单独或组合的方式具有生物适应性；
一组铝硼酸盐玻璃组合物，其以单独或组合的方式促进血管新生；
铝硼酸盐玻璃组合物，其可以包含例如如下源：30至60摩尔％B2O3、1至30摩尔％Al2O3、1至5摩尔％P2O5、3至30摩尔％Na2O、和10至30摩尔％CaO，以组合物总计为100摩尔％计；
铝硼酸盐玻璃组合物，其还可以包含例如如下源：0.1至15摩尔％K2O、0.1至15摩尔％MgO，或其组合，以组合物总计为100摩尔％计；
一种制品，其包括所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物中的至少一种，例如，牙科或脊柱假体；以及
所揭示的组合物的制造方法和使用方法。
附图说明
在本公开的实施方式中：
图1A和1B显示通过电感耦合等离子体质谱(ICP)确定的比较例组合物1(100)(不含Al2O3)和示例性组合物4(105)在进入模拟体液(SBF)之后的来自玻璃粉末的依赖于时间的离子释放(1A；硼酸根和氧化铝离子)(1B；Ca2+离子)。
图2显示当浸入37℃的模拟体液(SBF)溶液持续30天之后，所揭示的示例性组合物3和4以及比较例组合物1(C-1)的随时间推移的重量损失(重量％)结果。
图3A至3C显示SEM图像，证实了在浸入SBF中持续7天之后，比较例(3A)和本发明组合物(3B和3C)的表面形貌的变化。
图4A和4B显示比较例玻璃碟(图4A：4A1，4A2，和4A3)和本发明玻璃碟(图4B：4B1，4B2，和4B3)上的培育的活体/死亡细胞实验的细胞形貌的光学图像。
图5显示在比较例组合物1(500)和本发明组合物3(510)中存活的细胞计数与培育时间的柱状关系图。图6A至6D显示比较例组合物和所揭示的代表性组合物的血管新生结果。
具体实施方式
下面将参考附图(如果存在的话)详细描述本文的各种实施方式。对各种实施方式的参考不限制本发明的范围，本发明范围仅受所附权利要求书的范围的限制。此外，在本说明书中列出的任何实施例都不是限制性的，且仅列出要求保护的本发明的诸多可能实施方式中的一些实施方式。
在一些实施方式中，所揭示的制造方法和使用方法提供了一个或多个优势特征或方面，包括例如，如下文所述。任一项权利要求所述的特征或方面一般在本发明的所有方面适用。在任一项权利要求中所述的任意单个或多个特征或方面可以结合或与任一项或多项其它权利要求中所述的任意其它特征或方面结合或置换。
定义
“玻璃(glass)”“玻璃(glasses)”或者类似术语可以表示玻璃或玻璃陶瓷。
“玻璃制品”或者类似术语可以表示整体或部分由玻璃或玻璃陶瓷制造的任意物体。
“生物适应的”、“生物适应性”或者类似术语指的是物质能够与活的组织、细胞或者活体系统(“生物-”)共存的性质或状态，并且是例如，无毒或无害的，以及不引起免疫排斥反应(“-适应的”)。
“血管新生”、“血管生成”或者类似术语指的是例如在健康的组织、细胞或器官中，或者在患病组织、细胞或器官中的血管的形成和分化。
“基本不含”、“基本上不含”或者类似术语指的是所指出的物质(例如，SiO2、SrO、或其混合物；Al2O3)完全不存在，或者以不超过杂质量或痕量存在(例如，小于10至100ppm)。
“包括”、“包含”或者类似术语表示包括但不限于，即内含而非排它。
本文所述的实施方式中用来对例如组合物中成分的量、浓度、体积、加工温度、加工时间、产率、流速、压力、粘度和类似数值及其范围或者组件的尺寸以及类似数值及其范围进行修饰的“约”是指可能发生的数值量的改变，例如，源自制备材料、组合物、复合体、浓缩物、组件部件、制品制造或使用制剂所用的常规测量和操作过程；源自这些过程中的偶然性误差；源自用来实施所述方法的起始材料或成分的制造、来源或纯度的差异；以及类似因素。术语“约”还包括由于具有特定初始浓度或混合物的组合物或制剂的老化而不同的量，以及由于混合或加工具有特定初始浓度或混合物的组合物或制剂而不同的量。
“任选的”或“任选地”指的是随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，描述内容包括事件或情况发生的场合以及事件或情况没有发生的场合。
除非另外说明，否则本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。
可采用本领域普通技术人员熟知的缩写(例如，表示小时的“h”或“hr”，表示克的“g”或“gm”，表示毫升的“mL”，表示室温的“rt”，表示纳米的“nm”以及类似缩写)。
在组分、成分、添加剂、尺度、条件、时间和类似方面公开的具体和优选的值及其范围仅用于说明，它们不排除其他限定值或限定范围内的其他值。本公开的组合物和方法可包括本文所述的任何数值或数值、具体数值、更具体的数值和优选数值的任何组合，包括明示或暗示的中间值和范围。
生物活性玻璃具有广泛认可的促进骨细胞生长，并且与硬组织和软组织强烈结合的能力。还报道了生物活性玻璃释放离子，其激活成骨基因的表达，并刺激血管生成(参见Fu,Q,等人的“Bioactive glass scaffolds for bone tissue engineering:state ofthe art and future perspectives(用于骨组织工程的生物活性玻璃支架：现有技术和未来前景)”，Mater Sci Eng C,2011,31:1245-1256)。更近年来，对于生物活性硼酸盐玻璃愈发感兴趣，这是由于它们的新性质，例如，快速降解和转化为羟磷灰石状材料，支撑血管新生，软组织再生，伤口愈合，和抗微生物活性(参见Rahaman,M.N.等人的“Bioactive glassin tissue engineering(组织工程中的生物活性玻璃)”，Acta Biomater,2011,7:2355-2373)。但是，硼快速释放到溶液中常常导致降低的细胞存活能力，特别是对于体外细胞培养而言。这可以通过对玻璃组成进行改性以包含一些二氧化硅或者通过在动态环境中培养细胞来解决(参见上文的Rahaman)。
通常避免向生物活性硅酸盐玻璃添加Al2O3，因为Al2O3抑制了玻璃表面上的磷灰石(appatite)层的体外和体内形成。在基于硅酸盐的生物活性玻璃中，将Al2O3的浓度控制到小于3重量％(参见Hench,L.L.，“Bioceramics(生物陶瓷)”，J Am Ceram Soc,1998,81:1705-1728)。但是，Al2O3对于基于硼酸盐的玻璃的影响仍然是未知的。
Peddi,L.等人在J.Mater.Sci.:Mater.Med.,2008,第19卷,第9期,第3145页提到了用于钛合金的生物活性硼酸盐玻璃涂层。
US20090208428提到了包含Sr和SiO2的生物活性玻璃，其中，Sr作为SrO提供，以及SrO的摩尔当量百分比是0.2％至45％，并且该生物活性玻璃不含铝。
题为“Bioactive glass compositions,their applications and respectivepreparation methods(生物活性玻璃，它们的应用和相应的制备方法)”的WO2012137158提到了开发生物活性玻璃和玻璃陶瓷组合物，它们能够在浸入模拟 体液(SBF)中短至1小时的时间促进碳酸羟基磷灰石的快速沉淀层。此类组合物可包含氟化物和各种氧化物(或者它们的前体化合物)，例如，Na2O-Ag2O-SrO-CaO-MgO-ZnO-P2O5-SiO2-Bi2O3-B2O3-CaF2，以及是通过熔融路径或者通过溶胶凝胶工艺制备的，根据目标功能对具体组成和制备路径进行选择，其可以具有受控的生物降解速率和杀菌活性。
在一些实施方式中，本公开提供的生物活性玻璃组合物具有：相比于现有技术组合物更高的Al2O3含量，以及该组合物基本不含SiO2。
在一些实施方式中，本公开提供的铝硼酸盐玻璃组合物是生物适应性的。相比于已知组合物，从浸入水性溶液的这些组合物释放的硼得到明显减少。减少的硼释放提供了改善的细胞存活性。
在一些实施方式中，本公开提供了一组生物活性铝硼酸盐玻璃组合物。玻璃组合物可以包含如下源、由如下源构成、或者基本由如下源构成：例如，30至60摩尔％B2O3、1至30摩尔％Al2O3、1至5摩尔％P2O5、3至30摩尔％Na2O、和10至30摩尔％CaO，以组合物总计为100摩尔％计。
在一些实施方式中，所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物还可任选地包含例如：0.1至15摩尔％K2O、0.1至15摩尔％MgO，或其组合，以组合物总计为100摩尔％计。
相比于对应的不含Al2O3的基于硼酸盐的玻璃组合物，在所揭示的基于硼酸盐的玻璃组合物中包含Al2O3导致释放进入溶液中的硼的量降低了例如一个数量级。
在一些实施方式中，本公开提供的一种或多种生物活性铝硼酸盐玻璃组合物是生物适应性的。
在一些实施方式中，本公开提供了所揭示的组合物的制造和使用方法。
在一些实施方式中，本公开的铝硼酸盐玻璃组合物包含例如：
30至60摩尔％B2O3；
1至30摩尔％Al2O3；
1至5摩尔％P2O5，
3至30摩尔％Na2O；和
10至30摩尔％CaO，以组合物总计为100摩尔％计。
在一些实施方式中，上文所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物还可包含或包括以下至少一种，例如：0.1至15摩尔％K2O、0.1至15摩尔％MgO，或其组合。
在一些实施方式中，本公开提供了更为优选的组合物，其可以是例如：
50至60摩尔％B2O3；
2至20摩尔％Al2O3；
1至3摩尔％P2O5，
4至10摩尔％Na2O，
6至10摩尔％K2O，
6至10摩尔％MgO，和
20至30摩尔％CaO，以组合物总计为100摩尔％计。
在一些实施方式中，本公开提供了甚至更优选的组合物，其可以包含例如：
50至60摩尔％B2O3；
2至10摩尔％Al2O3；
1至3摩尔％P2O5，
4至10摩尔％Na2O，
6至10摩尔％K2O，
6至10摩尔％MgO，和
20至30摩尔％CaO，以组合物总计为100摩尔％计。
在一些实施方式中，所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物可以包含含量是例如10至15摩尔％的Al2O3，以组合物总计为100摩尔％计。
在一些实施方式中，所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物可以包含含量是例如2至10摩尔％的Al2O3。
在一些实施方式中，所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物基本不含以下至少一种：SiO2、SrO、Li2O、Rb2O、Cs2O，或其混合物。
在一些实施方式中，所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物基本不含SrO。
在一些实施方式中，所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物基本不含SiO2。
在一些实施方式中，本公开提供了生物活性组合物，其包含例如：
所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物中的至少一种，或其混合物；以及
至少一种活细胞系，即，生物活性组合物包含玻璃组合物和能够合成骨组织的至少一种细胞或多种细胞，例如，成骨细胞。
在一些实施方式中，所述至少一种活细胞或细胞系可以选自例如下组：成骨细胞、角质形成细胞、人脐静脉内皮细胞(HUVEC)以及类似的细胞或组织，或其组合。
在一些实施方式中，本公开提供了一种限制硼释放量的方法，例如，采用任意硼测量方法，测量从含铝硼酸盐玻璃组合物进入水性溶液中的硼酸根离子或者类似硼物质，其包括例如：
使得含铝硼酸盐玻璃组合物与水性溶液接触，其中，含铝硼酸盐玻璃组合物包含如下组分源：
30至60摩尔％B2O3；
1至30摩尔％Al2O3；
1至5摩尔％P2O5，
3至30摩尔％Na2O；和
10至30摩尔％CaO，以组合物总计为100摩尔％计。
在一些实施方式中，可以通过例如如下方式制备含铝硼酸盐玻璃组合物：使得含硼酸盐玻璃前体与Al2O3源的批料混合物熔化以形成含铝硼酸盐玻璃组合物。
在一些实施方式中，批料混合物可以包含例如如下组分源：
30至60摩尔％B2O3；
1至30摩尔％Al2O3；
1至5摩尔％P2O5，
3至30摩尔％Na2O；和
10至30摩尔％CaO，以组合物总计为100摩尔％计。
在实施方式中，该方法还可包括，例如：
使得含铝硼酸盐玻璃组合物接触水性溶液，例如，浸入其中或者被其覆盖；以及
测量随时间推移的水性溶液中的硼浓度。
在一些实施方式中，批料混合物中的Al2O3的量可以是例如2至20摩尔％。
在一些实施方式中，相比于不含添加的Al2O3的同样组合物，在从12小时至10天的时间段上，从含铝硼酸盐玻璃组合物释放到水性溶液中的硼的量可以例如从900ppm减少到50ppm。在示例性硼释放减少或抑制实验中，相比于不含Al2O3的对照组合物，在24小时时，硼释放从超过800ppm减少或被抑制到100ppm；在4天时，从1500ppm减少或被抑制到150ppm；以及在7天时，从1650ppm被减少或抑制到185ppm。
在一些实施方式中，可以通过采用适量的Al2O3或者类似的氧化铝源，来控制从含铝硼酸盐玻璃组合物释放到水性溶液中的硼的速率或动力学。最佳的硼释放速率或抑制速率会取决于目标应用并且通过实验确定。例如，对于体外细胞培养，优选具有缓慢的硼释放速率，这可以通过增加玻璃组合物中的Al2O3的量来实现。但是，对于体内应用(例如，处理酸敏感牙齿或者温度敏感牙齿)，优选通过减少玻璃组合物中的Al2O3的量以具有快速硼释放速率，从而硼快速释放，之后在牙齿表面或牙洞上积累羟基磷灰石或者形成涂层。
在一些实施方式中，相比于不含添加的Al2O3的同样组合物，在从0.5至10天的时间段上，从所揭示的含铝硼酸盐玻璃组合物3(105)释放到水性溶液中的硼的量可以例如117ppm至185ppm。在从1天到7天的时间段上，比较例组合物1(C-1)(100)释放的硼浓度是500ppm至1800ppm，例如，841-1650ppm(参见图1A和1B)。在一些实施方式中，水性溶液可以是例如温度为35至40℃的模拟体液(SBF)，或者细胞培养介质。
在一些实施方式中，本公开提供了细胞增殖方法，其包括：
使得所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物与合适的液体介质接触，以产生生物活性组合物。
在一些实施方式中，细胞增殖方法还可以包含或包括：使得生物活性组合物与例如至少一种细胞、细胞系、细胞混合物、或者细胞系的混合物接触。
在一些实施方式中，本公开提供了在基材上进行细胞增殖方法，其包括：
使得包含至少一种所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物的基材与合适的液体介质在存在至少一种细胞的情况下接触。
在一些实施方式中，接触可以在基材的表面上产生例如所述至少一种细胞的0.1倍至10倍的增殖。在一个示例性验证中，从第4天到第7天，在组合物3上，细胞数量增加了一个数量级，相比较而言，在比较例组合物1上，细胞增殖数量保持为零。
在一些实施方式中，在合适的液体介质中、在基材上(或其组合)，接触可以产生所述至少一种细胞的增殖。
在一些实施方式中，所述合适的液体介质可以包括例如，模拟体液组合物。
在一些实施方式中，所述至少一种细胞可以是或者可以包括例如骨细胞。
在一些实施方式中，增殖方法中的接触可以例如在SBF浸入之后，在基材(例如，实验玻璃碟)的表面上产生磷灰石或者羟基磷灰石(HA)化合物。
在一些实施方式中，在基材的表面上产生的羟基磷灰石(HA)化合物可以模拟体内或体内的基材与存在的骨组织的结合。
在一些实施方式中，所述合适的液体介质可以包括例如模拟体液(SBF)组合物(参见例如，T.Kokubo等人的“How useful is SBF in predicting in vivo bonebioactivity？(SBF对于预测体内骨生物活性的作用如何？)”，Biomaterials(生物材料),27[15]2907-15(2006))，特别是用于制备模拟体液(SBF)的配方的附录A和形成磷灰石能力的测试过程。
在一些实施方式中，所揭示的生物活性组合物可以原位形成生物活性磷灰石层(即，骨和牙齿的矿物质相)，其与骨和牙齿结合，并且甚至可以与软组织结合。生物活性组合物的应用可以包括例如：单件式制品、复合物、纤维、粉末、碟、珠、膜、涂层或类似形式，用于例如：承重骨的修复、牙齿再生、牙齿过敏症的治疗、人造椎骨、棘突间隔物、椎间盘间隔器、髂骨间隔器、颗粒填充物、支架、中耳植入物和其他类型的小骨替代物、伤口愈合和类似应用。所揭示的生物活性组合物与例如成骨细胞、角质形成细胞、人脐静脉内皮细胞(HUVEC)是生物适应的，生物适应性的。
在一些实施方式中，本公开提供了一种制品，其包括：
至少一种所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物，其中，制品是以下至少一种：生物适应的、血管新生的，或其组合。
所揭示的组合物是“生物适应的”，这表示其可以支持细胞生长和增殖而对细胞没有毒性或反应性，并且是“生物上具有活性的”(即，生物活性)，这表示所揭示的组合物可以转化为羟基磷灰石(HA)状材料，这可以支持体内骨结合。
在一些实施方式中，所揭示的组合物及其方法在数个方面具有优势，包括例如：
申请人出乎意料地发现向硼酸盐玻璃组合物添加Al2O3改善了所得到的生物活性玻璃组合物的生物适应性；
相比于相当的不含Al2O3组合物，当浸入溶液中的时候，所揭示的Al2O3硼酸盐玻璃组合物具有明显降低的硼释放速率；以及
所揭示的Al2O3硼酸盐玻璃组合物在溶液中的玻璃溶解或降解速率明显低于同等但是不含Al2O3的硼酸盐玻璃组合物。
在一些实施方式中，本公开提供的铝硼酸盐玻璃组合物具有优异的生物适应性。所揭示的玻璃组合物包含例如如下源：30至60摩尔％B2O3、1至30摩尔％Al2O3、1至5摩尔％P2O5、3至30摩尔％Na2O、和10至30摩尔％CaO，以组合物总计为100摩尔％计。更优选的组成范围可以是例如：50至60摩尔％B2O3、2至20摩尔％Al2O3、1至3摩尔％P2O5、4至10摩尔％Na2O、6至10摩尔％K2O、6至10摩尔％MgO、和20至30摩尔％CaO，以组合物总计为100摩尔％计。示例性组合物见表1。
表1显示了所揭示的组合物的例子。用梁弯曲粘度法确定退火点和应变点。热膨胀系数(CTE)是环境温度或室温(例如，25℃)与300℃之间的平均值。
表1：所揭示的示例性组成和性质
Figure BDA0001881264790000101
Figure BDA0001881264790000111
1.比较例＝比较例(C-#)
比较例7是现有技术组合物(参见Huang等人的“Kinetics and mechanisms ofthe conversion of silicate(45S5),borate and borosilicate glasses tohydroxyapatite in dilute phosphate solutions(硅酸盐(45S5)、硼酸盐和硼硅酸盐玻璃在磷酸盐稀溶液中转化为羟基磷灰石的动力学和机制)”，J Mater Sci Mater Med2006,17:583-596)。
通常可以通过将源组分在低于1300℃的温度溶解来制备所揭示的玻璃组合物(在某些实施方式中，低于1200℃，使得可以在较小的商用玻璃熔融罐中熔化)。
在一些实施方式中，向硼酸盐玻璃组合物添加Al2O3可以使得硼离子释放到溶液中降低或被抑制几乎一个数量级。类似地，向硼酸盐玻璃组合物添加Al2O3导致Ca离子的释放降低，但是仅降低了约一半(图1)。溶液中的硼的量下降对于细胞存活是明显的，因为大量的硼释放到溶液中通常导致细胞毒性，同时，有报道Ca离子的释放改善了玻璃的生物活性，因为Ca离子对于细胞附着是关键的(参见，Hench,L.L.等人，“Third-generationbiomedical materials(第三代生物医学材料)”，Science(科学),2002,295:1014-1017))。此外，所揭示的含Al2O3玻璃的重量损失率远慢于或低于不含Al2O3的硼酸盐玻璃(图2)，暗示了可以通过组成改性(特别是通过控制或调节Al2O3的量)来实现可控降解。
图2显示当浸入37℃的模拟体液(SBF)溶液持续30天之后，所揭示的示例性组合物3和4以及比较例组合物1的随时间推移的重量损失(重量％)结果。在SBF浸入1天之后，比较例组合物1(C-1)以及示例性组合物3(“3”)和4(“4”)分别具有3重量％、0.7％、和0.2％的重量损失；在SBF浸入1周之后，比较例组合物1(C-1)以及示例性组合物3(“3”)和4(“4”)分别具有7.5重量％、2.4％、和0.5％的重量损失；以及在SBF浸入1个月之后，比较例组合物1(C-1)以及示例性组合物3(“3”)和4(“4”)分别具有18.9重量％、3.2％、和0.8％的重量损失。图2的结果证实在比较例的不含氧化铝组合物中包含氧化铝得到所揭示的含氧化铝组合物在浸入SBF溶液时，具有降低的重量损失。所揭示的含氧化铝组合物相比于对应的不含氧化铝硼酸盐玻璃组合物对于溶解或溶液降解方面具有更好的耐久性。
通过采用SEM观察到的表面几何形貌也证实了所揭示的含Al2O3玻璃具有更缓慢或更低的降解率(图3)。在不含Al2O3硼酸盐玻璃中观察到包含细晶体的粗糙表面，但是在所揭示含Al2O3玻璃硼酸盐玻璃中没有观察到这种情况。
图3A至3C显示SEM图像，证实了在浸入SBF中持续7天之后，比较例1(3A)(0摩尔％Al2O3，30微米规格)，本发明组合物2(3B)(4摩尔％Al2O3，2微米规格)和本发明组合物3(3C)(8摩尔％Al2O3，1微米规格)的表面形貌的变化。
图4A和4B显示玻璃碟上的培育的活体/死亡细胞实验的细胞形貌的光学图像。在24孔培养板中，在由比较例组合物1(第1天的4A1，第4天的4A2，和第7天的4A3)，和组合物3(第1天的4B1，第4天的4B2，和第7天的4B3)制造的生物活性玻璃碟(12.5mm直径乘2.0mm厚)上完成细胞培养。无阴影和轮廓空心形式(例如椭圆或圆圈)代表活细胞，而阴影形式(例如黑点、圆点或黑圈)代表死细胞。所揭示的组合物3在7天之后展现出明显的活细胞和最少的死细胞。
图5显示在比较例组合物1(500)和本发明组合物3(510)中存活的细胞计数与培育时间的柱状关系图。在24孔培养板中，在生物活性玻璃碟(12.5mm直径乘2.0mm厚)上完成细胞培养。
在一些实施方式中，在所揭示的铝硼酸盐玻璃中证实了改进的生物适应性。在本发明的铝硼酸盐玻璃中观察到的存活细胞数量明显高于比较例不含Al2O3硼酸盐玻璃(图4)。在4天后，比较例不含Al2O3硼酸盐玻璃(500)上没有存活细胞。此外，在到第7天的过程中，所揭示的铝硼酸盐组合物(510)中的细胞计数持续增加(图5)。虽然不受限于理论，但是相信所揭示的铝硼酸盐玻璃组合物所证实的优异的生物适应性可归结于氧化铝源，这降低或减缓了如图1所观察到的硼离子释放速率。
在一些实施方式中，可以通过各种合适的技术，将所揭示的玻璃加工成例如粉末、短纤维、珠、片材、3D支架、和类似形状因子。例如，通常可以通过玻璃料的喷射研磨或球磨来制备玻璃粉末。例如，可以通过熔纺或电纺来制造短纤维。可以通过使得玻璃颗粒流动通过垂直炉来生产珠。可以采用例如薄辊制、浮法、或熔合拉制工艺来制造片材。可以通过例如快速成型、聚合物泡沫复制、颗粒烧结和类似方法来制造支架。所需形状因子的玻璃可以被用于例如支撑细胞生长、软组织和硬组织再生、模拟基因表达或血管新生等类似应用的方法。
在一些实施方式中，所揭示的组合物可以影响组合物的生物适应性和降解。在一些实施方式中，所揭示的组合物，B2O3作为主要的形成玻璃的氧化物。硼酸盐玻璃远没有硅酸盐玻璃那么耐用，这使得它对于快速降解具有吸引力。但是，降解导致的毒性以及降解速率的控制仍然是巨大的难题。
在一些实施方式中，P2O5也可起到网络成形剂的作用。此外，磷酸根离子释放到生物活性玻璃的表面可对形成磷灰石做出贡献。通过生物玻璃提供磷酸根离子可以增加磷灰石的形成速率以及骨组织的结合能力。此外，P2O5可以增加玻璃的熔体粘度，这进而扩大了操作温度范围，并且对于形成和制造所揭示的玻璃是有利的。
在一些实施方式中，Al2O3也可作为所揭示的玻璃中的玻璃成形剂。Al2O3通常增加熔体的粘度，并且Al2O3相对于碱金属和碱土金属的增加通常导致玻璃耐用性的改善。铝离子的结构角色取决于玻璃组成。但是，在基于硅酸盐的生物活性玻璃中通常不存在Al2O3，因为这明显降低了它们的生物活性。
在一些实施方式中，碱性氧化物(Na2O和K2O)对于实现低熔融温度和低液相线温度起了助剂的作用。此外，据报道添加碱性氧化物改善了生物活性(参见上文Hench,L.L.，Bioceramics(生物陶瓷))。
在一些实施方式中，二价阳离子氧化物(例如，碱土氧化物，MgO和CaO)也可用于改善玻璃的熔融行为和生物活性。具体来说，发现当浸入模拟体液(SBF)或者在体内时，CaO与P2O5反应形成磷灰石。从玻璃表面释放的Ca2+离子对形成富集了磷酸钙的层起到贡献。
实施例
以下实施例示范了根据上文一般程序制造、使用和分析所揭示的组合物和方法。
实施例1
实施例组合物2至6的制备。实施例组合物2至6见表1，以及在电炉中以所示量单独地结合和熔化它们各自的源批料材料，包括：硼酸、氧化铝、碳酸钠、碳酸钾、石灰石、氧化镁和磷酸钙。在熔化之前，使用
Figure BDA0001881264790000141
混合器，在塑料广口瓶中对批料源材料进行剧烈的混合。然后将它们转移到内部容积约为650立方厘米的铂坩锅中。然后将坩埚装载到退火炉中，在250℃煅烧批料24小时。然后经煅烧的批料在1200℃熔化6小时，然后将玻璃熔体倒到钢板上，以及在500℃退火。
实施例2
比较例组合物1和7。重复实施例1，不同之处在于，源成分排除了Al2O3，并且包含K2O和MgO，以分别产生比较例1和比较例7样品，具体见表1。
实施例3
实施例组合物8至9的制备。重复实施例1，不同之处在于，源成分排除了K2O和MgO，以产生实施例8至9的样品。
实施例4
体外浸入SBF中。通过测量实施例玻璃的离子释放和重量损失，来研究玻璃组成对于玻璃降解的影响。通过从本发明或比较例玻璃组合物的熔融玻璃饼进行芯钻孔碟来制备玻璃碟(12.5mm直径乘以2mm厚度)，然后采用CeO2糊料对碟进行抛光。将玻璃碟浸入保持在37℃聚乙烯瓶内的模拟体液(SBF)中，将玻璃与SBF重量比维持在1:100。在浸泡1天、4天、和7天之后，从瓶去除少量SBF(5mL)，以及采用电感耦合等离子体(ICP)来测量溶液中的离子。在浸入SBF之前和之后称重玻璃碟的质量，以确定可归结于与SBF接触的重量损失。通过扫描电子显微镜(SEM)来检查SBF浸泡的实施例玻璃碟的表面几何形貌。在检查之前，对碟涂覆碳，以降低表面电荷(参见上文，T.Kokubo，用于SBF的配方)。
实施例5
玻璃碟上的细胞培养。将直径为12.5mm且厚度为2.0mm的实施例玻璃碟(复制品)单独地放入细胞培养处理微板的孔中。对于单个微板，包含两个没有任何玻璃碟的孔作为对照。在每个实施例玻璃碟上接种(购自ATCC公司的)Saos-2细胞(人类成骨细胞样细胞)，并且将密度控制为20,000/2mL/孔。Saos-2细胞培养介质包含McCoy's 5a介质改进版(含15％胎牛血清)。细胞在37℃培育1天、4天、和7天，之后采用Calcein AM和Ethidiumhomodimer-1荧光染料进行活/死染色。在第一天更换介质，之后依次每隔一天更换。用荧光显微镜获得图像。采用ImageJ软件对细胞进行计数。在含Al2O3的硼酸盐玻璃中观察到明显更好的生物适应性(参见图4)。
实施例6
对于羟基磷灰石形成的抑制。采用上文所述的碟作为测试基材的1周SBF浸泡研究显示，相比于具有0摩尔％Al2O3的相当的组合物，在所揭示的组合物中包含4摩尔％Al2O3导致基材表面上的磷灰石的形成受到相对减少或抑制。包含8摩尔％Al2O3完全抑制了在基材表面上形成磷灰石。
实施例7
血管新生活性。对每种所揭示的本发明的组合物测试血管新生能力。24孔组织培养处理(TCT)微板，人脐静脉内皮细胞(HUVEC-2)，
Figure BDA0001881264790000151
和钙黄绿素AM荧光染料来自
Figure BDA0001881264790000152
(康宁)有限公司，EBMTM基础培养介质和EGMTM-2SingleQuots TM试剂盒来自Lonza(隆扎)公司。
血管新生评估过程如下。将直径为12.5mm且厚度为2.0mm的实施例玻璃碟(复制品)单独地放入细胞培养处理微板的孔中。对于单个微板，包含两种对照样：在两个孔中，放置了凝胶涂覆的盖玻片；以及在两个孔中，没有玻璃碟或者凝胶涂覆的盖玻片。TCT微板保持在冰上(0℃)，以及向每个孔添加400毫升的
Figure BDA0001881264790000153
然后，TCT微板在37℃培育30至60分钟，之后，在每个孔中的
Figure BDA0001881264790000154
顶部接种HUVEC-2细胞，细胞密度约为1.2×108/2mL/孔。HUVEC-2培养介质包含Lonza EBMTM基础介质(含2％胎牛血清、抗坏血酸、氢化可的松、人表皮生长因子(hEGF)、血管内皮生长因子(VEGF)、胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、人成纤维细胞生长因子-β(hFGF-β)和肝素)。血管新生试验微板在37℃的5％CO2潮湿气氛中培育16至18小时。用荧光显微镜获得图像。通过在用
Figure BDA0001881264790000161
Calcein AM荧光染料标记之后计数环数量来测量管形成。在所揭示的基于硼酸盐的玻璃组合物中包含Al2O3抑制了磷灰石的形成。在所揭示的基于硼酸盐的玻璃组合物中包含8摩尔％Al2O3增加了血管新生。
图6A至6D显示比较例组合物和所揭示的组合物对于Matrigels的血管新生结果，它们位于如下这些上面：TCT塑料表面(图6A)，以及比较例组合物1的玻璃碟(图6B)(12.5mm直径乘以2.0mm厚)、本发明组合物3的玻璃碟(图6C)(12.5mm直径乘以2.0mm厚)、和本发明组合物4的玻璃碟(图6D)(12.5mm直径乘以2.0mm厚)。相比于TCT塑料表面(89个管环)，比较例1(C-1)(不含Al)的血管新生减少(53个管环)。本发明组合物3和4的血管新生增加(分别是109和99个管环)。相比于比较例组合物1，本发明组合物3和4分别具有2.1倍和1.9倍更高的血管新生，表明或者暗示了受控离子释放对于响应生物活性玻璃组合物的血管新生会是重要因素。
已结合各种具体实施方式和技术对本公开进行了描述。然而，应理解的是，可进行多种变动和修改，同时保持在本公开的范围之内。

Claims (5)

1.一种控制硼从含铝硼酸盐玻璃组合物释放到水性溶液中的速率的方法，其包括：
使得含铝硼酸盐玻璃组合物与水性溶液接触，其中，含铝硼酸盐玻璃组合物包含如下组分源：
30至60％B2O3；
8至30％Al2O3；
1至5％P2O5，
3至30％Na2O；和
10至30％CaO，以组合物总计为100摩尔％计，以及
测量随时间推移的水性溶液中的硼浓度，
其中，Al2O3的量控制释放到水性溶液中的硼的量或者控制组合物的硼释放动力学。
2.如权利要求1所述的方法，其还包括在含铝硼酸盐玻璃组合物中包含6至10摩尔％K2O、6至10摩尔％MgO，或其组合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，含铝硼酸盐玻璃组合物中的Al2O3的量为8至20摩尔％。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相比于除了不含Al2O3之外同样的组合物，在从12小时至10天的时间段上，从所述含铝硼酸盐玻璃组合物释放到水性溶液中的硼的量从900ppm减少到50ppm。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，相比于除了不含Al2O3之外同样的组合物，在从0.5至10天的时间段上，从所述含铝硼酸盐玻璃组合物释放到水性溶液中的硼的量是10ppm至100ppm，所述除了不含Al2O3之外同样的组合物在从0.1至8天的时间段上，释放的硼浓度是500ppm至1800ppm。
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