CN110418771A - 凝胶浇注制备多孔玻璃和玻璃陶瓷颗粒结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用作组织移植替代材料的多孔、具有生物活性的玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸及其制备方法，其中所述具有生物活性的玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸由天然试剂如磷酸盐、钙、钠和其他与人或动物身体相容的元素制成。所述制备方法包括淬火、烧结、发泡和溶胶‑凝胶浇铸等各种步骤，使玻璃颗粒或微丸具有独特的生物活性和较高的孔隙率，从而有助于组织移植置换过程中的组织修复和增强。

Description

凝胶浇注制备多孔玻璃和玻璃陶瓷颗粒结构
相关申请的交叉引用及优先权
本申请要求2017年3月16日提交的、申请号为201721009050的临时专利的优先权。
技术领域
本发明涉及医学、生物技术和生物工程领域，尤其涉及用于组织增强和再生的材料的制备方法。本发明具体涉及由多孔、具有生物活性的玻璃颗粒组成的无菌、多孔、有生物活性和生物相容性的材料及其制备方法。
背景技术
骨是人类仅次于血液的第二大植入组织或生物材料。人体骨移植材料的来源主要限于患者自身的骨骼(自体)或保存在骨库中的有限供应的人源骨骼(同种异体)。骨移植材料也由非人类来源如牛和猪的骨组织(异种移植)产生。同种异体或异种异体移植是一种生物支架，其是由层粘连蛋白、纤维连接蛋白、弹性蛋白和胶原蛋白组成的哺乳动物细胞外基质(extracellular matrix，ECM)。同种异体移植是在同一物种的基因上不一致的个体之间进行的组织移植。异种移植物是从一个物种转移到另一个物种的组织移植。同种移植和异种移植的主要区别在于组织来源、来源种类和处理方法。自体移植、同种异体移植和异种移植都有许多缺点。在自体移植的情况下，有必要进行额外的手术来获取病人的骨头，这增加了整体治疗成本。此外，收割部位(通常是髂骨)的骨丢失与收割部位的长期发病率和疼痛有关。此外，如果患者出现骨关节炎等退行性疾病，可能无法获得足够数量的健康骨骼。除了因供者骨组织处理不当而引起疾病传播的风险外，同种异体移植还有一个很大的局限性，即大规模的可利用性。在异种移植的情况下，组织来源通常是像猪这样寿命较短的动物，因此移植组织比其他人体组织老化更快。此外，由于移植是通过抑制免疫反应机制来进行的，因此有可能传播疾病(人畜共患病)，如牛海绵状脑病或猪内源性逆转录病毒。一种理想的人工骨移植材料是可吸收的，即通过正常的骨再生和重塑，逐渐分解并不断地被新的天然骨取代。该材料应具有多孔性和骨引导性，以便由骨细胞填充。合成骨移植材料的物理性质应与天然骨一致，以提供机械支持，同时参与骨重塑和骨生长内源性控制机制所需的局部应力的适当传递。
在牙科和医学实践中，几种不同的陶瓷和玻璃材料用于骨移植和其他假体应用。这些物质主要含有存在于骨骼和牙齿的矿化组织中的钙元素和磷元素，以及易于使用的惰性物质，如硅。然而，这些假体存在着各种缺陷。
在现有技术中，硫酸钙或熟石膏(CaSO4.2H2O)粉末是一种传统上常用的骨缺损填充物，它与水混合并置于骨缺损中，然后硬化。然而，它在刺激骨骼正常愈合中的作用及其体内再吸收率是高度不可预测的。
在现有技术中，另一种迄今为止流行的替代品是牛骨，去除了其中的有机成分以留下磷酸钙矿物粉末，基本上是磷灰石，Ca5(PO4，CO3)3(OH)，其使用方式类似于与水混合的糊状物。然而，它的缺点是，颗粒可能从植入部位迁移和冲出。此外，不能排除因此类骨加工不当而导致疾病传播的风险。
在现有技术中，合成骨替代材料通常由羟基磷灰石或羟基磷灰石和磷酸三钙(Ca3(PO4)2)的组合制成。然而，该材料的熔点较低，因此不能在高温下通过烧结进行加工，这会影响其功效和强度。此外，其体内再吸收率可能不适用于所有植入部位，因为身体不同部位的骨组织具有不同的再生和重塑特征。
在现有技术中，仅由玻璃和玻璃陶瓷制成的商用骨移植替代物是以二氧化硅作为最大组分的玻璃。然而，二氧化硅并不是人体的一部分，因此，体内二氧化硅积聚的长期影响尚不清楚。
在组织植入技术中需要合适的多孔、具有生物活性和生物相容性的材料的合成来源。因此，具有内在多孔性并有助于周围组织和/或缺失组织的粘附、生长、再生和愈合的材料具有重大意义，并可解决长期迫切的需求。
发明内容
本发明内容旨在介绍与多孔、具有生物活性和生物相容性的材料的研发有关的方面及其作为替代物的方法，尤其用于填充空隙、间隙和空腔，以确保周围和/或缺失的组织的粘附、生长、再生和愈合。然而，该发明内容并不旨在披露本发明的基本特征，也不旨在确定、限制或限制本发明的范围。
根据本发明的一个方面，公开了多孔且具有生物活性和生物相容性的、含有颗粒或微丸的、用作组织移植替代的材料的特征及其制备方法，其中，颗粒或微丸的所述成分可含有具有更高孔隙率的玻璃和玻璃陶瓷粒子，其中所述材料优选用于骨移植技术中。
根据本发明的一个方面，公开了用于多孔、具有生物活性和生物相容性的材料的组合物的特征，所述组合物包含混合物，所述混合物包含磷化合物、钙化合物和钠化合物，以及至少一种其他化合物，所述化合物为选自钛、硼、钾、镁、锶、铁、铜、铝、锌、银、镓和钴中的一种元素的氧化物，使得所述材料包含平均粒径在200μm到2500μm范围内且孔径在10μm到300μm范围内的颗粒。
根据本发明的一个方面，公开了制备多孔、具有生物活性和生物相容性的材料的方法的特征，其中所述方法可以包括制备混合物的第一步骤，混合物包含磷化合物、钙化合物和钠化合物，以及至少一种其他化合物，化合物为选自钛、硼、钾、镁、锶、铁、铜、铝、锌、银、镓和钴中的一种元素的氧化物，其中所述混合物可以通过加热熔化。该方法包括第二步骤，将所述熔化的混合物在空气或水中淬火一段预定的时间，然后冷却所述混合物以获得冷却的混合物。该方法可包括粉碎和筛选冷却的混合物的第三步骤(103)，以获得包含粒径在5μm到50μm之间的颗粒的粉末，该方法还可包括将第三步骤(103)中所述粉末凝胶化的第四步骤(104)，其中所述凝胶化可以包括向所述粉末添加溶剂、单体、交联剂、分散剂和表面活性剂并机械搅拌以获得泡沫液体，其中可以通过连续机械搅拌将聚合引发剂和催化剂添加到所述泡沫液体中以在预定时间段获得所述混合物的凝胶；其中所述第四步骤(104)还包括在模具中浇铸所述凝胶、切割浇铸的凝胶块和干燥所述凝胶块。该方法可以包括第五步骤(105)，通过均匀地升高温度以达到第一预定温度阈值并进一步达到第二预定温度阈值以烧结步骤四的所述干燥凝胶块，并且还可以包括在预定的时间段内将温度保持在所述第一和第二温度阈值，然后将混合物冷却至室温。该方法可包括第六步骤(106)即最后一步骤，粉碎，然后筛选第五步骤的所述混合物，以获得粒径在200μm到2500μm范围内的多孔、具有生物活性和生物相容性的材料。
根据本发明的一个方面，公开了多孔、具有生物活性和生物相容性材料的特征，其中磷化合物优选为具有通式P2O5的磷氧化物，并且以在40％到60％的摩尔百分比加入，并且其中钠化合物优选为具有通式Na2O的钠的氧化物或具有通式NaH2PO4的钠的磷酸盐，或是具有通式Na2CO3的钠的碳酸盐，并且以1％到10％的摩尔百分比添加，其中钙化合物优选为具有通式CaO的钙氧化物或具有通式CaCO3的钙碳酸盐，以30％到50％的摩尔百分比添加，其中至少一种其他化合物优选为具有通式TiO2的钛氧化物，并且以1％到10％的摩尔百分比添加。
根据本发明的一个方面，公开了多孔、具有生物活性和生物相容性的材料的特征，其中所述材料不会改变周围环境的pH以损害活组织，并且其中所述材料对细胞增殖无害，并且所述材料与所述生物相容性材料具有相同的性质。并且其中所述材料包含体积密度约为0.487g/ml的颗粒。
根据本发明的一个方面，公开了多孔、具有生物活性和生物相容性材料的特征，其中当与MG-63细胞一起培养并通过共聚焦激光扫描显微镜成像时，所述材料促进颗粒内表面上的细胞粘附和增殖，并且所述材料对活组织不具有细胞毒性。
根据本发明的一个方面，公开了包含颗粒或微丸的多孔、具有生物活性和生物相容性材料的特征，其中，颗粒或微丸的组合物可通过使用多种基于聚合物的组合物制备，所述组合物可包括但不限于甘油、聚乙二醇、聚乳酸、聚乙醇酸、胶原蛋白、葡聚糖、壳聚糖和海藻酸盐，以形成易于应用于手术部位的流动材料。
附图说明
详细说明参照附图。在图中，附图标记的最左边的数字标识附图标记首次出现的图形。在整个附图中，相同的数字用于表示类似的特征和组件。
图1(100)为制备多孔、具有生物活性和生物相容性的材料的方法概述。
图2为示例性样品的X射线衍射(XRD)分析，以确认多孔、具有生物活性和生物相容性材料的非晶态性质。
图3为多孔、具有生物活性和生物相容性材料的体外细胞增殖分析。
图4为细胞增殖的共焦激光扫描显微镜分析。
图5为用于说明多孔、具有生物活性和生物相容性材料的孔结构的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图6为玻璃烧结前后的傅立叶变换红外光谱分析。
图7为多孔、具有生物活性和生物相容性材料的体外降解、pH变化和离子释放结果。
这些图描述了本发明的实施例，仅供说明之用。本领域技术人员容易从以下描述中认识到，可以使用本文所示步骤的替代实施例，而不背离本文所述的公开原则。
具体实施方式
当结合附图阅读时，更好地理解上述实施例的详细描述。为了说明本发明，本文件中给出了本发明的示例结构；但是，本发明不限于本文件和附图中披露的具体设计。
详细说明见附图。在附图中，附图标记的最左边的数字表示附图标记首次出现的图。在整个附图中，相同的数字用于表示类似的特征和组件。
现在将详细讨论本发明的一些实施例，说明其所有特征。“包含”、“具有”、“包括”和“含有”等词及其其他形式的含义相同，并且是开放式的，并且在其中任何一个词后面的一个或多个项目不应是此类项目的详尽列表，也不应是指仅限于列出的一个或多个项目。还必须注意，单数形式“a”、“an”和“the”包括复数，除非上下文另有明确规定。
本文描述的和下文要求保护的示例性实施方案可以在缺少本文具体公开的任何所述特征，要素或步骤的情况下适当地实施，而该特征、元素或步骤是或不是本文特别公开的。例如，该书面描述中提及“一个实施例”、“实施例”、“一个示例实施例”等，表明所述实施例可以包括特定特征、结构或特性，但每个实施例不一定包括特殊特征、结构或特性。所公开的实施例只是各种形式或组合的示例。此外，这些短语不一定指的是某种实施例。此外，无论是否明确描述，当结合实施例描述特定特征，结构或特性时，应提交其在本领域普通技术人员的知识范围内与其他实施例相关的特征、结构或特性。
本申请中的术语不应被解释为表明任何未声明的要素必不可少或至关重要。除非另外声明，否则本文提供的任何和所有示例或示例语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明示例实施例，并且不对所附权利要求的范围构成限制。
除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的描述仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独的值并入本说明书中，如同其在本文中单独引用一样。如果提供特定范围的值，应理解的是，除非上下文另有明确规定，否则该范围内的值包括在该范围的上限值和下限值之间的间隔为下限值的十分之一的每一个中间值，以及任何其他提及的值或中间值。所有较小的子范围也包括在内。这些较小范围的上限和下限也包括在其中，受所述范围内任何特别排除的限制。例如，“约0.1％至约5％”或“约0.1％至5％”的范围可以解释为不仅包括约0.1％至约5％，还包括各个值(例如，1％，2％，3％和4％)和在所示范围内的子范围(例如，0.1％至0.5％，1.1％至2.2％，3.3％至4.4％)。
本发明旨在提供一种新颖的多孔的、具有生物活性和生物相容性的包含玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料，及其制备方法。
出于本发明的目的，下文描述了以下术语：
颗粒或微丸
颗粒或微丸是一种形状规则或不规则的小物体，有效尺寸在200微米到2500微米之间，多孔或非多孔结构，表面粗糙或平坦。它是一种宏观颗粒，又是一个小的局部物体，可以归结为一些物理或化学性质，如体积或质量。在颗粒或微丸的情况下，多孔结构是相互连接的，其中所述孔在所述物体的主体内彼此连接，所述孔的大小在10微米到300微米的范围内。
孔隙度
孔隙度(也称为空隙率)是对材料中空隙(即“空”)空间的测量，是空隙体积占总体积的一部分，介于0和1之间，或为介于0％和100％之间的百分比。
孔径
孔径是材料中存在的孔的直径的平均值。本申请公开了范围(10μm至300μm)的颗粒或微丸。该尺寸范围很重要，因为负责人体骨骼再生的细胞的尺寸在10μm到300μm之间，这与颗粒的孔径大小相似。因此，细胞可以进入颗粒的内表面积进行增殖和分化，并有助于更快的骨再生。
生物材料
生物材料是为医疗目的而设计的与生物系统相互作用的任何物质——治疗性(治疗、增强、修复或替换身体的组织功能)或诊断性物质。
生物活性玻璃
生物活性玻璃是一类活性的玻璃陶瓷生物材料，由于释放离子而具有生物活性，对周围细胞和组织有刺激作用，从而促进其愈合。
生物活性
材料的生物活性是材料的一种性质，通过对其表面进行时间依赖性动力学修改(主要是材料与周围体液之间的离子交换反应，这种反应是由植入物触发的)，材料在植入人体内时与周围组织相互作用。
生物相容的/生物相容性
生物相容性是材料在特定情况下与适当的宿主进行反应的能力，由此材料在药物治疗方面发挥其所需的功能，而不会对疗法的受体或受益人产生任何不良的局部或系统性影响，但在特定情况下产生最合适的有益的细胞或组织反应，并优化该疗法的相关临床性能。
X射线衍射(XRD)
XRD是一种用于确定晶体的原子和分子结构的技术，其中晶体原子导致入射X射线束衍射到许多特定方向。通过测量这些衍射光束的角度和强度，可以在晶体中生成电子密度的三维图像。根据这个电子密度，可以确定原子在晶体中的平均位置，以及它们的化学键、无序状态和各种其他信息。在没有特定原子取向的情况下，材料本质上被认为是非晶态的。θ是X射线撞击晶体或材料的入射角。X射线衍射是基于汤姆森散射方程的原理，因此X射线衍射中的入射角通常被称为2θ。在每个步骤测量X射线响应的2θ值，范围为10°-60°，步长为1°。
细胞培养实验中的阴性对照
阴性对照是已知对实验结果具有期望效果的材料，其在本发明中由细胞显示为无细胞毒性行为。高密度聚乙烯薄膜用作阴性对照。
细胞培养实验中的阳性对照
阳性对照是一种已知的对实验结果具有非常不利影响的物质，其在本发明中由细胞显示为具有高度细胞毒性行为。有机锡稳定的聚氯酯膜用作阴性对照。
PG
是一种由Novabone制造和销售的硅酸盐合成骨移植材料。
筛分
可通过使用筛获得粒径小于50微米的粉末状材料或尺寸在200微米至2500微米范围内的最终形式的材料。筛网是一种获得特定尺寸或尺寸范围的装置，通常使用编织网，如筛、网或金属网。
这些颗粒或微丸的生产过程及其独特的特性是基于凝胶浇铸的材料科学技术，然后是发泡、干燥和烧结。多孔、具有生物活性和生物相容性的颗粒或微丸的特殊用途可作为组织增强和再生技术中的填料或移植材料。更优选地，多孔、具有生物活性和生物相容性的颗粒或微丸可用作骨增强和再生中的骨移植材料。现参照图1，本发明涉及制备多孔、具有生物活性和生物相容性材料的方法，其中所述方法可包括第一步骤(101)，制备混合物，混合物包含预先确定的化学计量量的磷化合物、钙化合物和钠化合物，以及至少一种其他化合物，化合物是选自钛、硼、钾、镁、锶、铁、铜、铝、锌、银、镓和钴的中的一种元素的氧化物，其中所述混合物通过加热熔化。所述方法可包括第二步骤(102)，将所述熔化的混合物在空气或水中淬火预定时间段，随后冷却所述混合物以获得冷却的混合物。该工艺还可包括第三步骤(103)，粉碎和筛选冷却的混合物以获得包含粒径在5μm至50μm范围内的颗粒的粉末。该方法还可包括将第三步骤的所述粉末的凝胶化的第四步骤(104)，其中所述凝胶化可包括向所述粉末中添加溶剂、预定化学计量量的单体、交联剂、分散剂和表面活性剂，并以机械搅拌达预定的时间以获得泡沫液体，其中聚合引发剂和催化剂可添加到所述泡沫液体中，继续机械搅拌以获得所述混合物的凝胶，其中所述第四步骤(104)可以进一步包括在模具中浇铸所述凝胶，切割所述凝胶的块并干燥所述块。该方法可以进一步包括第五步骤(105)，通过均匀地增加温度以达到第一预定温度阈值，并进一步达到第二预定温度阈值，来烧结步骤四的干燥凝胶块，并且还可以包括在预定时间段内，将温度保持在在所述第一和第二温度阈值下，然后将混合物冷却至室温。该方法还可包括第六步骤(106)，粉碎，然后筛选第五步骤的所述混合物，以获得粒径在200μm到2500μm范围内的多孔、具有生物活性和生物相容性的材料。
仍参考图1，在其中一个实施例中，本发明涉及包含玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的多孔、具有生物活性和生物相容性的材料及其生产方法，其中第一步骤(101)中的方法可包括通过以下方式形成玻璃碎片：使用原材料，包括但不限于磷、钙和钠的氧化物作为主要成分，以及从元素周期表中的碱金属、碱土金属、过渡金属、基本金属、类金属和非金属的多种元素中选择一种作为附加次要成分。玻璃碎片的主要成分可占总生物活性玻璃和玻璃陶瓷成分的90mol％至99mol％。剩余的1mol％到10mol％可以属于周期表中碱金属、碱土金属、过渡金属、基本金属、类金属和非金属元素的多种元素中的任何一种。所有主要和次要元素都是人体的天然成分，不像硅等惰性外来元素，因此可以更好地预测它们对身体的影响。
在另一实施例中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性材料的方法，所述多孔、具有生物活性和生物相容性的材料包括玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸，其中，在第一步骤(101)中制造玻璃碎片所需的原材料主要包磷，钠，钙，钛，镁，锶，铁，铜，铝，锌，银，镓，钴或其任何组合的氧化物或磷酸盐或碳酸盐，在本发明的任何实施例中，称重化学计量量的所需前体，然后彻底混合。
在另一实施方案中，本发明涉及一种用于生产多孔的、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸材料的方法，其中，在第一步骤(101)中制造玻璃碎片所需的原材料的主要和次要成分可包括40mol％-60mol％的磷氧化物、30mol％-50mol％的钙氧化物或钙碳酸盐、1mol％-10mol％的钠氧化物或钠磷酸盐或钠碳酸盐以及1mol％-10mol％的周期表中的碱金属、碱土金属、过渡金属离子金属、基本金属、类金属和非金属元素组，包括但不限于钛、镁、锶、铁、铜、铝、锌、银、镓、钴中任何一种元素或其任何组合的氧化物。
在一个示例性实施例中，本发明涉及一种生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中在中在第一步(101)中制备玻璃碎片所需的原料的主要和次要组分包括40mol％-60mol％的具有通式P2O5的磷氧化物，30mol％-50mol％的具有通式CaO的钙氧化物或具有通式CaCO3的钙碳酸盐，1mol％-10mol％的具有通式Na2O钠氧化物，或具有通式NaH2PO4的钠的磷酸盐或具有通式Na2CO3的钠的碳酸盐，1mol％到10mol％的具有通式TiO2的钛的氧化物。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中在第一步骤(101)中形成生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的方法可包括按化学计量比例混合主要组分和次要组分，将制备好的前体倒入坩埚中，然后将坩埚放入预热炉中，然后将其加热至前体混合物的熔化温度。
在一个示例性实施例中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中在第一步骤(101)中玻璃碎片的主要和次要组分的混合可以包括在Pt/10％rh型坩埚中加热，放入预热至不低于700℃的熔炉中，然后将前体混合物加热至1110℃-1500℃的温度一段时间，加热时间不少于60分钟，但可增加至5小时。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中在第二步骤(102)中形成生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的方法可以包括在接近室温的温度下浇注到钢板上来淬火玻璃熔体，然后在球磨机中破碎，在振动筛中过筛，以获得所需尺寸的玻璃颗粒，并且可以进一步包括对获得的玻璃碎片进行筛分、分馏和分离的后续过程。
在另一实施方案中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中在第二步骤(102)中形成生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的方法可以包括将玻璃熔体倒入盛有水的金属容器中，使玻璃熔体在水中淬火，并将所述玻璃熔体冷却至少30分钟，然后在球磨机中破碎并在振动筛中筛分，以获得所需尺寸的玻璃颗粒，并可进一步包括对获得的玻璃碎片进行筛选、分级和分离的后续过程。
在一个示例性实施例中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中，在第二步骤(102)中获得的玻璃碎片或碎块或玻璃熔块可被粉碎并在筛振器中筛分以获得尺寸最大为50μm尺寸的玻璃颗粒，其可以用于该方法的后续步骤中。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中形成生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的方法可包括第四步(104)，凝胶浇铸在第二步骤(102)中形成的，并在第三步骤(103)中筛分至最大尺寸为50μm的玻璃碎片或颗粒。所述玻璃碎片的凝胶浇铸可以包括首先将玻璃碎片与溶剂、工业衍生的具有通式C4H7NO的单体、交联剂、分散剂和表面活性剂剧烈混合，以用作初始聚合原料。作为后续方法，该方法可包括通过添加具有通式(NH4)2S2O8的聚合引发剂和具有通式(CH3)2NCH2CH2N(CH3)2的催化剂后开始聚合，然后连续进行搅拌。
在一个示例性实施例中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中，在第三步骤(103)中形成生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的方法可包含水作为溶剂、6g甲基丙烯酰胺单体、3g双丙烯酰胺的亚甲基衍生物作为交联剂分子、50μlDispex作为分散剂分子和100μl Triton X作为表面活性剂。在同一步骤中的后续方法中，本发明可涉及使用过硫酸铵盐作为聚合引发剂，以及使用四亚甲基二胺作为催化剂来辅助和协助甲基丙烯酰胺的快速聚合，同时通过使用顶置机械搅拌器，在1000转/分-3000转/分转速下连续搅拌，直到发生凝胶化。凝胶化后，可以使用诸如刀的切割工具将固体凝胶切割成更小的片或碎片。碎片可在100℃至150℃的温度范围内进一步干燥，干燥至少10小时，但不超过24小时，以备下个步骤使用。
在一个示例性实施方案中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或颗粒的形成工艺，可包括在特定温度下烧结的第五步骤(105)。最初，烧结是在350℃-450℃的初始温度下进行的，随后在550℃至700℃的温度下进行后续的加热步骤。
在示例性实施例中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中在形成生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的方法的第五步骤中(105)可以包括烧结过程。其特征在于，在所述过程中，温度可以以至少1℃/min但不超过5℃/min的均匀速率增加，其中两种温度保持至少持续1小时但不超过3小时。在随后的工艺中，本发明可包括使以上述方式烧结的玻璃碎片在烘箱或熔炉内冷却到不低于室温的温度。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于生产多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的方法，其中，在形成生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的方法的第六和最后步骤中可以包括粉碎和筛选第五步骤(105)的烧结混合物，以制备包含多孔、生物活性和生物相容材料的最终产品，其粒径在200μm到2500μm之间。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中，所述组合物可包含混合物，混合物包含磷化合物、钙化合物和钠化合物和至少一种其他化合物，该化合物是选自钛、硼、钾、镁、锶、铁、铜、铝、锌、银、镓和钴的中的一种元素的氧化物，其特征在于，所述材料包含在范围为200μm至2500μm，孔径为10μm至300μm的颗粒。
在示例性实施例中，本发明涉及一种用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中所述磷化合物可以优选具有通式P2O5的磷氧化物，并且可以以40％到60％的摩尔百分比加入，其中所述钠化合物可以优选具有通式Na2O的钠的氧化物，或者可以是具有通式NaH2PO4的钠的磷酸盐，或者可以是具有通式Na2CO3的钠的碳酸盐，并且可以以1％至10％的摩尔百分比加入。其中所述钙化合物优选为具有通式CaO的钙氧化物或具有通式CaCO3的钙碳酸盐，并且以30％到50％的摩尔百分比添加，并且其中所述至少一种其他化合物优选为一种具有通式TiO2的钛的氧化物，并以1％至10％的摩尔百分比添加。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中所述玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸可具有下表1中的以下特征：
表1：多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微粒的材料的物理特性
序号 参数 值
1 表面面积 0.83m<sup>2</sup>/g
2 平均孔径 10μm to 300μm
3 粒径范围 200μm to 2500μm
在一个实施例中，本发明涉及一种用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中当使用X射线衍射技术评价时，所述玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸可以是完全非结晶的。在X-RD下，对于非晶态物质，X射线将向多个方向散射，导致在宽范围(2θ)内分布的大凸起，而不是晶体物质的高强度窄峰。
在一个示例性实施例中，多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料，X射线衍射的2θ值在10°-60°范围内，步长为1°。
在一个实施例中，本发明涉及用于多孔、具有生物活性和生物相容性材料的组合物，所述材料含有尺寸在200μm到2500μm之间且孔径在10μm到300μm之间的玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸，其中当使用傅立叶变换红外光谱(FTIR)检测时，所述材料含有高度互连的多孔结构，不含有任何有机物，也不在2900cm-1区域显示C-H键，其中材料的体积密度约为0.487g/ml。
在一个实施例中，本发明涉及用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中所述材料对活组织没有细胞毒性，不会改变周围环境的pH以损害活组织，即不会不利地改变pH，在与MG-63细胞一起培养并通过共聚焦激光扫描显微镜成像时，可以促进颗粒内表面上的细胞粘附和增殖。在体外实验中将含有MG-63细胞系的所述类骨细胞在所述材料中培养，在570nm光密度下，在培养的第1天和第7天测量，周围环境中含有的所述组合物，不妨碍所述细胞的细胞增殖，并且在整个实验期间细胞均匀融合。
在一个实施例中，本发明涉及多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料，所述材料是可以可再吸收的，并且当所述实验在预定条件进行时，可能导致12mg到17mg的颗粒重量损失量。实验设置可包括将所述成分置于50℃的水中，还可包括在50℃的热风炉中干燥24小时，测量样品的重量，并在50℃的水中替换，其中所述重量损失测量可在14天内进行。
示例1：评估多孔、具有生物活性和生物相容性材料的结晶度
在制作颗粒之前，制作了不同的玻璃组合物。对于生物医学应用，如果玻璃本质上是无定形的，那么它被认为是具有生物活性的。因此，对不同成分的玻璃进行了X射线衍射(XRD)分析。如前所述，采用熔融淬火工艺制备了不同成分的磷酸盐玻璃。为了测定原始玻璃的非晶态或结晶性，进行了X射线衍射分析。以1°步长在10-60°范围内收集XRD的2θ数据。制备了示例性样品，并对其结晶度参数进行了评估(见下表1)。为此，对所需量的所有前体进行称重，然后彻底混合。然后在高温炉中的坩埚中熔化前体混合物。熔化过程完成后，在室温下将玻璃浇注到钢板上，使其迅速冷却。将由此生产的玻璃在行星球磨机中进一步研磨1小时，使其变成粉末状。
参考图2，该图表示无明显结晶度的X射线衍射实验的结果，并且定性观察到玻璃颗粒与原始玻璃一样无定形。
结果表明，除组合物P40外，其它玻璃成分均为非晶态，具有生物活性。
表2：不同成分的玻璃和玻璃陶瓷颗粒结晶-非晶态性质分析
示例2：在本发明颗粒的存在下，骨样细胞的体外增殖分析
确定材料作为骨移植材料的潜力的第一步是评估拟用骨移植材料存在时类骨细胞的增殖。因此，体外MG-63细胞(骨样细胞)增殖研究是在存在由玻璃成分制成的颗粒的情况下进行的(请参照XRD分析部分)。
玻璃制造——根据XRD分析部分的说明制作不同成分的玻璃样品。玻璃成分详情如下表3所示：
表3：包含玻璃和玻璃陶瓷颗粒或颗粒的不同多孔、生物活性和生物相容性材料的组成
玻璃颗粒制造——使用顶置机械搅拌器将玻璃(参照XRD分析部分)粉末(20g)；水(18ml)；甲基丙烯酰胺(单体，6g)；N N′亚甲基双丙烯酰胺(交联剂，3g)；分散剂(2滴)和表面活性剂(0.1ml)充分混合。
形成泡沫状液体，向其中添加过硫酸铵(聚合引发剂，1g)和四亚甲基二胺(催化剂，4ml)，并在凝胶前充分搅拌。然后将泡沫切割成较小的块体，然后在125℃下干燥24小时，然后在2℃/min上升至350℃，保持1小时，再在2℃/min上升至700℃，并在炉冷却前保持1小时。进一步研磨和筛分由此形成的泡沫，以获得尺寸在400-800μm范围内的颗粒。
细胞培养——将少量样品进行热消毒(180摄氏度，在热风炉中加热3小时)。采用未处理的24孔聚苯乙烯细胞培养皿作为对照。24孔低附着组织悬浮培养皿的每一孔接受200mg试验样品(一式三份)。每个孔(测试和对照)通过1ml培养基接收5*104MG-63细胞。培养皿在37摄氏度、5％的二氧化碳和90％以上的湿度条件下培养。在第1天和第7天进行MTT分析。
参考图3，所示为体外细胞增殖分析的结果。可以观察到，细胞在P60颗粒的存在下没有存活。在第1天，如在570nm处的OD测量所显示，在由不同成分的玻璃制成的颗粒的存在下观察到细胞数量没有显着差异。在第7天，在不同成分的玻璃制成颗粒存在的情况下，细胞数量没有显著差异，并且在Ti1、Ti3、Ti5、Ti7、Ti8、P45中观察到的(骨样)MG-63增殖不受阻碍。进一步观察到Ti1、Ti3的颜色不均匀，Ti7、Ti8和P45的需要更高的温度用于玻璃熔化。因此，据观察，Ti5是最佳可能的组合物，以便于在低温下制造颜色均匀的产品。
示例3：本发明颗粒上增殖的MG-63细胞的共聚焦显微镜分析
共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)，也就是说共聚焦显微镜，是最常见的成像研究之一，用以获得对生物材料与细胞或组织之间的3D相互作用的定性或视觉理解。在常规的CLSM研究中，细胞在生物材料上培养一段时间，培养时间包括一个或多个实验时间点；在每个时间点，用染料处理细胞，该染料优先染色特定的细胞器(如细胞核或细胞骨架)，然后在共焦显微镜下观察。当捕捉到样品中不同深度的多个二维图像时，可以重建三维结构(一个称为光学切片的过程)，其提供了诸如细胞活力、粘附、信号传导和增殖等方面的信息。重要的是，在本发明的颗粒晶体具有相互连接的三维多孔结构的情况下，CLSM提供了细胞在颗粒内部的穿透深度的信息。
首先，按照上述实施例1的XRD分析部分中的说明制备Ti5玻璃，并按照实施例2的体外增殖研究中的说明进一步制备玻璃颗粒。建立细胞培养实验，所用的细胞培养方案与实施例2中的增殖研究所用的方案类似。在每个时间点(第2天、第6天和第10天)，用磷酸盐缓冲盐水(PBS)冲洗对照组(在本例中为组织培养塑料或TCP)和试验样品的每个孔。向每个孔中加入100μ由2μl/ml吖啶橙(ac)和1μl/ml碘化丙啶(pi)组成的染色混合物(ac染色活细胞，pi染色死细胞)。用铝箔包裹后，培养皿在室温下培养最长30分钟。然后，使用徕卡SP8光谱共焦激光扫描显微镜在488nm激发波长下对AC(绿色)和561nm激发波长下对PI(红色)进行成像。
参考图4，显示了在2天和10天的时间点的对照样和本发明的颗粒的CLSM图像。“颗粒”图像显示从第2天到第10天粘附在本发明颗粒上的活细胞数量增加。“颗粒3d”图像显示，在第2天和第10天，细胞都通过相互连接的孔渗透到颗粒结构中，与第2天相比，第10天的渗透深度更大；这表明本发明的孔的孔径适合于细胞渗透到多孔结构中。“颗粒深度”更清楚地证实了细胞在10天内渗透到多孔结构中，最大渗透深度从第2天的约30微米增加到第10天的约130微米。第2天的细胞在性质上更为圆形；第10天的细胞在性质上更加细长。
仍参照图4，得出结论，由于相互连接的多孔结构，骨样MG-63细胞在本发明的颗粒表面以及其内部是可存活的。
示例4：本发明的颗粒的扫描电子显微镜检查
生物材料的表面很重要，因为它决定了成骨细胞是否被吸引以启动骨再生过程。表面需要粗糙和多孔，因为与光滑的表面相比，这些表面能够更好地吸引和增殖成骨细胞。这可用扫描电子显微镜(扫描电镜)分析评估。简而言之，使用SEM观察如前所述制备的玻璃碎片。以不同的放大率拍摄图像以了解表面的形貌。
参考图5A，观察到颗粒表面具有大小在100-300μm范围内的开孔，并且还具有在10到50μm范围内较小的孔，即确定表面在性质上是非常多孔的，适合细胞增殖。
此外，现有技术中已知，对于牙科中的骨移植应用，颗粒尺寸应在200至800微米范围内。上述尺寸范围的合成和非合成(异种移植)骨移植材料颗粒在市场上可买到。本发明的一个主要优点是颗粒的多孔性。因此，有必要查明平均粒径在200-800微米范围内的颗粒是否仍然是多孔的。因此，通过扫描电镜特别观察这些粒径范围内的颗粒。
现在参考图5B，分离出粒径在200-400μm和400-800μm之间的两种颗粒。从图像中可以清楚地看出，其表面具有非常多孔的性质，适合细胞增殖，颗粒的多孔性不会由于将颗粒加工使其尺寸缩小到200-800微米而受到破坏。
示例5：本发明颗粒在烧结前后的FTIR，以测定烧结的煅烧效率。
在玻璃颗粒的烧结过程中，有必要去除聚合物中的有机物和制备过程中使用的其它有机成分。为了确认不存在任何有机物，采用了傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术，测定了玻璃样品烧结前后的红外光谱。为了确定烧结结晶后玻璃样品的数据，将碎块碎成粉末状。制备示例性样品，并评估生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸中有机物的百分比。
现在参考图6，该图表示通过分析确认的实验结果为含有0％有机物(即完全去除烧结玻璃中的有机相)，因为烧结后玻璃中没有对应于C-H键(2900cm-1的区域)的峰。此观察表明烧结玻璃样品中不存在有机物。
示例6：本发明颗粒的体外降解
用来制作颗粒的玻璃是可生物降解的。在生理环境中，这种降解会导致离子释放，加速骨愈合过程，这些离子的释放也会影响环境的酸碱度。酸碱度的急剧变化可能对骨愈合过程有害，并可能阻碍骨再生过程。每隔14天定期监测重量下降，以研究颗粒的降解情况。在14天的同一时间段内监测pH值变化，以评估自然条件下pH值的任何主要变化。最后，测量不同离子的释放量，以了解玻璃成分的离子释放曲线。
简而言之，如前所述制备玻璃碎片。在50摄氏度下将颗粒保存在装有10mL milli-Q水的塑料容器中(一式三份)中，每个测量和时间点使用一个单独的容器。为了进行减重研究，在每个时间点从容器中取出颗粒样品，并在50摄氏度的热空气烘箱中干燥24小时。24小时后，测量样品重量。在每一个时间点，在去除颗粒后，将容器中的水储存起来用于元素分析以确定离子的释放。在pH值变化研究中，以3个装有水的容器作为对照。在每个时间点测量对照品和试验样品(去除颗粒)的pH值。通过光发射光谱(OES)测定离子释放量。
现在参考图7A，14天期间的平均重量下降为15毫克(约8％)。在生理环境中，如植入骨移植材料的情况下，这种重量减轻可能会加速。生理环境中这种加速的重量减轻是由于诸如唾液、血液等生理液体和微生物的存在。现在参考图7B，培养颗粒的溶液的pH值在第1天之后几乎保持在4.5，这对细胞的增殖和分化不是有害的环境。它(ph)不会阻碍应用骨移植材料的愈合或骨再生过程。
现在参考图7C，第1天之后释放的离子量在14天后保持相似。这可能是由于实验的静态性质，即与颗粒保持接触的为相同的水。钙(Ca)和磷(P)离子的释放被认为是一种良好的趋势，因为从文献中可以知道，这些离子的释放形成了一种磷灰石样的结构，其进一步支持骨的形成。
基于实验，可以得出结论：重量损失显示了烧结的颗粒的降解，并且在移植部位愈合过程中，pH值的变化可能不会对祖细胞产生任何不利影响，而且在实验开始时释放的P和Ca离子可能会在愈合过程中对祖细胞的增长、增殖和分化有理想的效果。
示例7：本发明的颗粒的体积密度
骨移植材料特别是多孔材料的体积密度是重要的。高体积密度反映出较少或无孔隙，而低密度则意味着高孔隙体积和可接触的表面积。颗粒与未加工玻璃的体积密度比较表明前者具有多孔性。
简而言之，如前所述制备玻璃颗粒。测量了样品的体积密度，并且为了比较，还测量了商业上可用的合成骨移植材料的体积密度。可以看出，与原始玻璃和市售合成骨移植材料相比，本发明的颗粒具有较低的体积密度。结果已在下表4中列举
表4：本发明颗粒、玻璃和商业上可用的合成骨移植材料的体积密度比较
示例8：本发明颗粒的体外细胞毒性(直接接触)试验
细胞毒性是对细胞有毒性的物质的性质。这是确定材料生物相容性的第一步。此测试确定细胞是否在本发明提出的材料存在的情况下存活和增殖。简单地说，在96孔板中培养L929哺乳动物成纤维细胞。在验证了亚汇合(80％)之后，将先前灭菌的样品(加热灭菌的)和对照样品小心地放置在一式三份的孔中心的细胞层上。24小时后(37℃，5％的二氧化碳，90％的湿度下培养)，在相差显微镜下检查平板，以评估一般形态、空泡化、分离、细胞溶解和膜完整性的变化。显微镜检查后，将阴性和阳性对照物从培养皿中小心取出。由于试验材料具有颗粒性质，因此无法去除。向每孔加入20μl MTS活化试剂溶液，将平板旋转以混合染料并在黑暗中在37C下培养3h。在490nm下测量吸光度，所得结果如下表5所示
表5A MTT法定量测定细胞毒性作用
表5B毒性反应等级描述
在一个实施例中，本发明涉及多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，
其中颗粒可以任何物理形式用于人类和动物的临床应用，并且可以包括将多孔生物活性玻璃颗粒与聚合物材料混合以形成可流动的易于应用于手术部位的材料，聚合物材料包括但不限于甘油、聚乙二醇、聚乳酸、聚乙醇酸、胶原蛋白、葡聚糖、壳聚糖和海藻酸盐。
在一个实施例中，本发明涉及用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中，生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸不包含如胶原蛋白、左旋聚乳酸等的任何人造孔隙形成剂，这些人造孔隙形成剂仅以复合形式赋予材料多孔性，而不赋予玻璃颗粒或颗粒本身。
在一个实施例中，本发明涉及用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中该生物活性玻璃及玻璃陶瓷颗粒或微丸可不仅包含为天然组织的再生提供三维(3D)支架的结构，也可逐渐降解，最终被天然骨组织完全取代。骨移植的骨再生时间估计在1个月到6个月之间。
在一个实施例中，本发明涉及用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中，生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸能够使块状材料更快或更慢地降解以及更快或较慢的释放，即可促进混合物的特定主要或次要成分的受控释放。
在另一实施例中，本发明涉及用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中，生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸能够在烧结产品时避免结晶。因此有助于本发明的广泛应用，因为玻璃颗粒或微丸保持非晶态，比结晶玻璃更具生物活性。
在又一实施例中，本发明涉及用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中，生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸可通过释放抗菌离子提供抗菌性能，抗菌离子为包括但不限于铜、镓、银或其任何组合的离子，形成颗粒或微丸的组成部分。
在又一实施例中，本发明涉用于多孔、具有生物活性和生物相容性的含有玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸的材料的组合物，其中，生物活性玻璃和玻璃陶瓷颗粒或微丸可通过释放血管生成诱导离子促进血管生成，诱导离子可能包括钴，是颗粒或微丸组成部分。
上述描述应解释为说明性的，而不是任何限制性的。本领域普通技术人员将理解某些修改可能属于本公开的范围。

Claims (21)

1.一种制备多孔、具有生物活性和生物相容性材料的方法，所述方法包括：
a.第一步骤(101)，制备混合物，所述混合物包括磷化合物、钙化合物和钠化合物，以及至少一种其他化合物，所述其他化合物是选自包括钛、硼、钾、镁、锶、铁、铜、铝、锌、硅、镓和钴中的一种元素的氧化物，其中所述混合物通过加热熔化，
b.第二步骤(102)，将所述熔化的混合物在空气或水中淬火，然后冷却所述混合物以获得冷却的混合物，
c.第三步骤(103)，粉碎和筛选冷却的混合物，以获得包含粒径在5μm至50μm范围内的颗粒的粉末，
d.第四步骤(104)，将第三步骤的所述粉末的凝胶化，其中所述凝胶化包括向所述粉末中添加溶剂、单体、交联剂、分散剂和表面活性剂，并机械搅拌以获得泡沫液体，并且在连续机械搅拌下将聚合引发剂和催化剂加入到所述泡沫液体中以获得所述混合物的凝胶，其中所述第四步骤(104)还包括在模具中浇注所述凝胶，切割所述浇注的凝胶的块并干燥所述块，
e.第五步骤(105)，烧结第四步骤的干燥凝胶块，通过均匀地升高温度以达到第一温度阈值，并进一步达到第二温度阈值，并且还包括将温度保持在所述第一和第二温度阈值达预定时间段后将混合物冷却至室温，以及
f.第六步骤(106)，粉碎，然后筛选第五步骤的所述混合物，以获得粒径在200μm到2500μm之间的多孔、具有生物活性和生物相容性的材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述磷化合物优选为具有通式P2O5的磷的氧化物，并且以40％至60％的摩尔百分比添加。
3.权利要求1的方法，其中所述钠化合物优选为具有通式Na2O的钠的氧化物或者是具有通式NaH2PO4的钠的磷酸盐或者是具有通式Na2CO3的钠的碳酸盐，并且以1％至10％的摩尔百分比添加。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该钙化合物较佳为具有通式CaO的钙的氧化物或具有通式CaCO3的钙的碳酸盐，并且以30％至50％的摩尔百分比添加。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种其他化合物优选为具有通式TiO2的钛的氧化物，并且以1％到10％的摩尔百分比添加。
6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1的混合物的所述加热温度在1100摄氏度到1500摄氏度的范围内，持续时间为60分钟到300分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法的第二步骤中所述熔化的混合物的淬火是通过在优选接近室温的温度下浇注到钢板上进行的，或者是通过倒入含有水的金属容器中进行的，并且其中第二步骤中所述的冷却时间最多为30分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4的所述溶剂优选包含15ml至20ml的水，并且其中所述单体优选包含具有通式C4H7NO的甲基丙烯酰胺并且以4g至8g的量添加，优选地，所述交联剂包含加入量为2g到4g的双丙烯酰胺的亚甲基衍生物，并且其中所述分散剂优选包含以50μl到500μl的量添加的铵的聚丙烯酸酯化合物，并且其中所述表面活性剂优选包含以50μl至200μl的量添加的Triton X100，并且其中步骤4中所述机械搅拌优选以2000rpm进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述聚合引发剂优选包括加入量为0.5g至2.0g的过硫酸铵盐，并且其中所述催化剂优选包含加入量为3mL至6mL的四亚甲基二胺，其中所述方法的第四步骤中的所述块的干燥，包括在100℃至150℃的温度下加热至少10小时但不超过24小时的时间。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述均匀的升温速率为至少1℃/min但不超过5℃/min，并且其中所述第一温度阈值是350℃-450℃范围内的温度，其中所述第二温度阈值是550℃至700℃范围内的温度，并且其中所述保持时间包括至少一小时但不超过三小时。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二温度阈值优选为625℃。
12.根据权利要求1所述的方法，其中第五步骤的所述烧结方法煅烧所有有机物质，其特征在于在权利要求1的所述方法结束时获得的所述多孔、具有生物活性和生物相容性的材料不含任何残余有机物含量。
13.一种用于多孔、具有生物活性和生物相容性材料的组合物，所述组合物包含：包含磷化合物，钙化合物和钠化合物的混合物，和至少一种其他化合物，其他化合物是选自钛，硼，钾，镁，锶，铁，铜，铝，锌，银，镓和钴中的一种元素的氧化物，其特征在于所述材料包含平均粒度在200μm至2500μm范围内的颗粒，并且孔径在范围为10μm至300μm。
14.根据权利要求13所述的组合物，其中所述组合物是多孔的，不添加孔隙产生剂。
15.如权利要求13所述的组合物，其中所述磷化合物优选为具有通式P2O5的磷的氧化物，并且以40％至60％的摩尔百分比加入，并且其中所述钠化合物优选为具有通式Na2O的钠的氧化物，或具有通式NaH2PO4的钠的磷酸盐或具有通式Na2CO3的钠的碳酸盐，并且以1％至10％的摩尔百分比加入，并且其中所述钙化合物优选为具有通式CaO的钙的氧化物或是具有通式CaCO3的钙的碳酸盐，并且以30％至50％的摩尔百分比加入，并且其中所述至少一种其他化合物优选为具有通式TiO2的钛的氧化物并且以1％至10％的摩尔百分比加入。
16.如权利要求13所述的组合物，其中当使用X射线衍射技术评价时，所述组合物是无定形的。
17.如权利要求13所述的组合物，其中当通过扫描电子显微镜成像时，所述组合物包含高度互连的多孔结构。
18.如权利要求13所述的组合物，其中所述组合物不含任何微量有机物质。
19.如权利要求13所述的组合物，其中所述多孔的，具有生物活性和生物相容性的材料是可再吸收的。
20.如权利要求13所述的组合物，其中所述的，具有生物活性的和生物相容性的材料包含体积密度为0.3g/mL至0.6g/mL的颗粒。
21.如权利要求13所述的组合物，其中所述组合物促进细胞粘附和增殖，不会不利地改变周围环境的pH，对组织的细胞增殖无害并且对活组织没有细胞毒性。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3068347B1 (fr) * 2017-06-30 2020-08-28 Arc France Preparation de fabrication de verre et four de verrerie

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1496531B1 (de) * 1965-04-28 1971-03-25 Glaverbel Verfahren zur herstellung von aus glas und metallteilchen bestehenden gesinterten koerpern unter verwendung von reduzierfaehigen metallverbindungen sowie gesinterter koerper
CN1361076A (zh) * 2002-01-18 2002-07-31 中国科学院上海硅酸盐研究所 纳米级生物活性玻璃粉体材料及制备方法
CN1939542A (zh) * 2005-09-28 2007-04-04 中国科学院金属研究所 一种CaO－P2O5－Na2O－TiO2－ZrO2生物玻璃陶瓷及其制备方法
CN103880285A (zh) * 2013-03-14 2014-06-25 美国诺邦生物制品有限公司 溶胶-凝胶制备的含钠的生物活性玻璃及其包括止血的应用

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4113021C2 (de) * 1991-04-20 1995-01-26 Carus Carl Gustav Resorbierbare Phosphatgläser und resorbierbare Phosphatglaskeramiken, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung
US6605648B1 (en) * 1999-04-06 2003-08-12 Phillips Plastics Corporation Sinterable structures and method
US6454972B1 (en) * 1999-11-24 2002-09-24 Sandia Corporation Solid freeform fabrication using chemically reactive suspensions
US7597900B2 (en) * 2001-03-27 2009-10-06 Schott Ag Tissue abrasives
US6709744B1 (en) * 2001-08-13 2004-03-23 The Curators Of The University Of Missouri Bioactive materials
KR100785652B1 (ko) * 2007-04-04 2007-12-14 박민화 단열 및 방음효과가 우수한 발포세라믹의 제조방법
US20110144765A1 (en) * 2008-05-27 2011-06-16 Imperial Innovations Limited Process For Producing Porous Scaffolds From Sinterable Glass
EP2386525A1 (en) * 2010-05-13 2011-11-16 Universitat Politècnica de Catalunya Nanostructured material comprising a biocompatible calcium phosphate glass, sol-gel process for its preparation and medical use thereof
EP3151873B1 (en) * 2014-06-09 2020-03-11 The Royal Institution for the Advancement of Learning / McGill University Borate-glass biomaterials

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1496531B1 (de) * 1965-04-28 1971-03-25 Glaverbel Verfahren zur herstellung von aus glas und metallteilchen bestehenden gesinterten koerpern unter verwendung von reduzierfaehigen metallverbindungen sowie gesinterter koerper
CN1361076A (zh) * 2002-01-18 2002-07-31 中国科学院上海硅酸盐研究所 纳米级生物活性玻璃粉体材料及制备方法
CN1939542A (zh) * 2005-09-28 2007-04-04 中国科学院金属研究所 一种CaO－P2O5－Na2O－TiO2－ZrO2生物玻璃陶瓷及其制备方法
CN103880285A (zh) * 2013-03-14 2014-06-25 美国诺邦生物制品有限公司 溶胶-凝胶制备的含钠的生物活性玻璃及其包括止血的应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
N.J.LAKHKAR: "Titanium phosphate glass microspheres for bone tissue engineering", 《ACTA BIOMATERIALIA》 *
ZOE Y.WU: "Melt-derived bioactive glass scaffolds produced by a gel-cast foaming technique", 《ACTA BIOMATERIALIA》 *

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