CN112156226A - 一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法 - Google Patents
一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112156226A CN112156226A CN202010916862.4A CN202010916862A CN112156226A CN 112156226 A CN112156226 A CN 112156226A CN 202010916862 A CN202010916862 A CN 202010916862A CN 112156226 A CN112156226 A CN 112156226A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- zinc
- bioactive glass
- porous bioactive
- glass ceramic
- doped
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000005313 bioactive glass Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 61
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 49
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 claims abstract description 32
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 claims abstract description 11
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 31
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 30
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- DQWPFSLDHJDLRL-UHFFFAOYSA-N triethyl phosphate Chemical compound CCOP(=O)(OCC)OCC DQWPFSLDHJDLRL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 20
- WSKLSJFXXIALOH-UHFFFAOYSA-N [Si].[Zn].[Ca].[Mg] Chemical compound [Si].[Zn].[Ca].[Mg] WSKLSJFXXIALOH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N calcium nitrate Chemical compound [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 12
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 10
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 claims description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 10
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 10
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 10
- 229910017665 NH4HF2 Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000004088 foaming agent Substances 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 claims description 7
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 claims description 6
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 5
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 5
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 5
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 5
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 8
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 abstract description 3
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 abstract description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 abstract description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 2
- 208000014674 injury Diseases 0.000 abstract description 2
- 210000000963 osteoblast Anatomy 0.000 abstract description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 abstract description 2
- 239000005312 bioglass Substances 0.000 description 12
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 12
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 12
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 6
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 6
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 5
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 5
- 241000283973 Oryctolagus cuniculus Species 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 206010063560 Excessive granulation tissue Diseases 0.000 description 3
- 230000012292 cell migration Effects 0.000 description 3
- 210000001126 granulation tissue Anatomy 0.000 description 3
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 3
- XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;hydroxide;triphosphate Chemical compound [OH-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D 0.000 description 3
- 230000008467 tissue growth Effects 0.000 description 3
- 102000012422 Collagen Type I Human genes 0.000 description 2
- 108010022452 Collagen Type I Proteins 0.000 description 2
- LAZOHFXCELVBBV-UHFFFAOYSA-N [Mg].[Ca].[Si] Chemical compound [Mg].[Ca].[Si] LAZOHFXCELVBBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 2
- 238000007490 hematoxylin and eosin (H&E) staining Methods 0.000 description 2
- 238000011532 immunohistochemical staining Methods 0.000 description 2
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000011164 ossification Effects 0.000 description 2
- DHRLEVQXOMLTIM-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid;trioxomolybdenum Chemical compound O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.OP(O)(O)=O DHRLEVQXOMLTIM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 2
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 2
- 238000010186 staining Methods 0.000 description 2
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 102000010834 Extracellular Matrix Proteins Human genes 0.000 description 1
- 108010037362 Extracellular Matrix Proteins Proteins 0.000 description 1
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000283977 Oryctolagus Species 0.000 description 1
- 206010061363 Skeletal injury Diseases 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 210000002805 bone matrix Anatomy 0.000 description 1
- 230000021164 cell adhesion Effects 0.000 description 1
- 230000010261 cell growth Effects 0.000 description 1
- 230000004663 cell proliferation Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000012258 culturing Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 210000002744 extracellular matrix Anatomy 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 210000002950 fibroblast Anatomy 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 239000012567 medical material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011587 new zealand white rabbit Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229910001720 Åkermanite Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/02—Inorganic materials
- A61L27/10—Ceramics or glasses
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/02—Inorganic materials
- A61L27/025—Other specific inorganic materials not covered by A61L27/04 - A61L27/12
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
- A61L27/54—Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
- A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
- A61L2300/10—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices containing or releasing inorganic materials
- A61L2300/102—Metals or metal compounds, e.g. salts such as bicarbonates, carbonates, oxides, zeolites, silicates
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
- A61L2300/40—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a specific therapeutic activity or mode of action
- A61L2300/412—Tissue-regenerating or healing or proliferative agents
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
- A61L2300/60—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a special physical form
- A61L2300/602—Type of release, e.g. controlled, sustained, slow
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
- A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Public Health (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
本发明公开了一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法,以Zn(NO3)2作为锌源,在原料阶段就让Zn元素参与反应体系,利于Zn元素在体系中均匀分布。多孔生物活性玻璃陶瓷中适量锌元素的加入不仅有利于提高多孔生物活性玻璃陶瓷材料的力学强度而且在材料植入体内后,其中的Zn元素将会持续而缓慢的释放到周围体液中并进而对成骨细胞相关蛋白的表达起到有利的作用,并最终诱导和促进新骨的形成,加速骨缺损/损伤部位的重建过程。
Description
技术领域
本发明属于骨修复医用材料领域,具体涉及一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法。
背景技术
生物玻璃是一种硅酸盐类的异质骨移植材料,能与骨组织形成骨性键合,并促进新骨形成。当生物玻璃植入骨缺损部位,在生物玻璃与体液之间会发生迅速的离子交换反应,在生物玻璃表面形成含碳酸根的羟基磷灰石层,通过该类骨羟基磷灰石层使材料与骨形成牢固的化学键合。与生物惰性陶瓷相比,生物玻璃具有独特的生物相容性、成骨作用和骨传导作用,但是其机械强度低,脆性大,在一定程度上限制其应用领域。
生物玻璃陶瓷复合材料是由生物陶瓷和生物玻璃所制备而成的复合材料,可以通过调节材料的组成和配比来获得性能更优的生物材料,越来越受关注。常见的生物玻璃陶瓷复合材料多为由生物玻璃和羟基磷灰石所组成。
但现有钙镁硅生物活性玻璃陶瓷生物活性不足,降解速率过快,材料降解后的位置被大量无承重能力的肉芽组织填充,易引起二次骨折。
此外,现有钙镁硅生物活性玻璃陶瓷材料在体内、体外降解时引起pH值快速升高,导致周围微环境pH变化,不利于周围组织和细胞的生长。
发明内容
针对上述存在的技术问题,本发明提供了一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法,本发明的复合材料具有良好的力学性能、生物活性以及新骨诱导能力。
本发明采用的技术方案是:
一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的制备方法,
该制备方法包括以下步骤:
步骤S1:制备Zn-AW前驱体粉;
步骤S101:将正硅酸乙酯和磷酸三乙酯溶于无水乙醇溶液中,并使之充分混合;
步骤S102:Mg(NO3)2、Ca(NO3)2、NH4HF2和Zn(NO3)2溶解于水中得到无机溶液,将无机溶液缓慢滴加至步骤S101制备的有机溶液中,并加入HNO3调节混合溶液pH值为1.0-1.5,搅拌直至形成稳定的溶胶,室温下陈化24h,放入液氮速冷后转入真空冷冻干燥机中,在-40℃下,经充分冷冻干燥得到含锌干凝胶粉末;
步骤S103:将步骤S102制得的含锌干凝胶粉末经800℃煅烧,球磨过200目筛后得到前驱体粉末;
步骤S2:制备锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷;
步骤S201:在步骤S1制备的Zn-AW前驱体粉中加入5%的聚乙烯醇溶液和蛋白质发泡剂,经高速机械搅拌得到浆料,将浆料注入模具中并经液氮速冷后转入真空冷冻干燥机充分冻干成型;
步骤S202:成型后的材料经1200℃烧结保温2h得到锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷。
优选的,在上述步骤S101中,正硅酸乙酯和磷酸三乙酯的摩尔比为2.3~2.8:1。
优选的,正硅酸乙酯和磷酸三乙酯的摩尔比为2.5:1。
优选的,在上述步骤S102中,Mg(NO3)2、Ca(NO3)2、NH4HF2和Zn(NO3)2的摩尔比为0~7.2:50.3:0.2:0~7.2。
优选的,其特征在于,Mg(NO3)2、Ca(NO3)2、NH4HF2和Zn(NO3)2的摩尔比为3.6:50.3:0.2:3.6。
优选的,在上述步骤S201中,Zn-AW前驱体粉、聚乙烯醇和蛋白质发泡剂的质量比为45~60:40~50:8~12。
优选的,Zn-AW前驱体粉、聚乙烯醇和蛋白质发泡剂的质量比为50:40:10。
一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷由上述所述的制备方法获得。该掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的孔隙率在75%-83%,平均孔径为200-500μm,抗压强度为30.5MPa,满足非承重骨部位的强度要求。
上述的掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷作为修复材料在非承力部位骨缺损、骨损伤的修复中应用,还可作为组织工程骨支架材料。
本发明的有益效果:本发明以Zn(NO3)2作为锌源,在原料阶段就让Zn元素参与反应体系,利于Zn元素在体系中均匀分布。多孔生物活性玻璃陶瓷中适量锌元素的加入不仅有利于提高多孔生物活性玻璃陶瓷材料的力学强度而且在材料植入体内后,其中的Zn元素将会持续而缓慢的释放到周围体液中并进而对成骨细胞相关蛋白的表达起到有利的作用,并最终诱导和促进新骨的形成,加速骨缺损/损伤部位的重建过程。
本发明的多孔生物活性玻璃陶瓷材料还可以以涂层材料的形式与医用金属植入物等进行复合,可以起到改善金属植入物与植入处骨组织之间力学连接的作用。
本发明的多孔生物活性玻璃陶瓷作为骨修复材料具有良好的力学性能、生物活性以及新骨诱导能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明采用溶胶-凝胶法制备Zn-AW前驱体粉的流程图;
图2为本发明制备制备多孔Zn-AW骨修复材料的流程图;
图3为不同锌含量样品的XRD谱图;
图4为不同掺锌浓度样品的抗压强度,AW为掺Zn前的样品;
图5为掺锌前的样品(a)和掺锌后(b)的样品与MG-63细胞共培养3天后的SEM照片;
图6为动物体内植入实验图;
图7为掺锌样品经动物体内植入8周后的组织学观察图,(a)为HE染色,(b)为Masson三色染色;
图8为掺锌前(a)和掺锌后(b)的样品植入动物体内8周后的I型胶原免疫组化染色图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
步骤S1:制备Zn-AW前驱体粉(如图1所示)
按照摩尔比为2.5:1称取正硅酸乙酯(TEOS)和磷酸三乙酯(TEP)溶于无水乙醇溶液中(TEOS与无水乙醇的摩尔比为6:7),并使之充分混合;
按照摩尔比为1.8:50.3:0.2:1.8称取Mg(NO3)2、Ca(NO3)2、NH4HF2和Zn(NO3)2,并溶解于水中(水和Ca(NO3)2的摩尔比例为6:1)得到无机溶液,将无机溶液缓慢滴加至上述的有机溶液中,并加入HNO3调节混合溶液pH值为1.0,搅拌直至形成稳定的溶胶,室温下陈化24h,放入液氮中速冷后转入真空冷冻干燥机中,在-40℃下,经充分冷冻干燥得到含锌干凝胶粉末。干凝胶粉末经800℃煅烧,球磨过200目筛后得到前驱体粉末。
步骤S2:制备锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷(如图2所示)
前驱体粉末中加入5%的聚乙烯醇(PVA)溶液和蛋白质发泡剂(质量比为:50:40:10),经高速机械搅拌得到浆料,将浆料注入模具中并经液氮速冷后转入真空冷冻干燥机充分冻干成型,成型后的材料经1200℃烧结保温2h得到锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷医用骨修复材料。
掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的孔隙率在75%-80%,平均孔径为360μm,拥有良好的贯通性,是细胞迁移和组织长入适宜的孔径。平均抗压强度在42.0MPa。
实施例2
步骤S1:制备Zn-AW前驱体粉
按照摩尔比为2.5:1称取正硅酸乙酯(TEOS)和磷酸三乙酯(TEP)溶于乙醇溶液中(TEOS与无水乙醇的摩尔比为6:7),并使之充分混合;
按照摩尔比为3.6:50.3:0.2:3.6称取Mg(NO3)2、Ca(NO3)2、NH4HF2和Zn(NO3)2,并溶解于水中(水和Ca(NO3)2的摩尔比例为6:1)得到无机溶液,将无机溶液缓慢滴加至上述的有机溶液中,并加入HNO3调节混合溶液pH值为1.3,搅拌直至形成稳定的溶胶,室温下陈化24h,放入液氮速冷后转入真空冷冻干燥机中,在-40℃下,经充分冷冻干燥得到含锌干凝胶粉末。干凝胶粉末经800℃煅烧,球磨过200目筛后得到前驱体粉末。
步骤S2:制备锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷
前驱体粉末中加入5%的聚乙烯醇(PVA)溶液和蛋白质发泡剂(质量比为:50:40:10),经高速机械搅拌得到浆料,将浆料注入模具中并经液氮速冷后转入真空冷冻干燥机充分冻干成型,成型后的材料经1200℃烧结保温2h得到锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷医用骨修复材料。
掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的孔隙率为80%,平均孔径为400μm,拥有良好的贯通性,是细胞迁移和组织长入适宜的孔径。平均抗压强度为30.5MPa。满足非承重骨部位的强度要求。
实施例3
步骤S1:制备Zn-AW前驱体粉
按照摩尔比为2.5:1称取正硅酸乙酯(TEOS)和磷酸三乙酯(TEP)溶于乙醇溶液中(TEOS与无水乙醇的摩尔比为6:7),并使之充分混合;
按照摩尔比为7.2:50.3:0.2:7.2称取Mg(NO3)2、Ca(NO3)2、NH4HF2和Zn(NO3)2,并溶解于水中(水和Ca(NO3)2的摩尔比例为6:1)得到无机溶液,将无机溶液缓慢滴加至上述的有机溶液中,并加入HNO3调节混合溶液pH值为1.3,搅拌直至形成稳定的溶胶,室温下陈化24h,放入液氮速冷后转入真空冷冻干燥机中,在-40℃下,经充分冷冻干燥得到含锌干凝胶粉末。干凝胶粉末经800℃煅烧,球磨过200目筛后得到前驱体粉末。
步骤S2:制备锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷
前驱体粉末中加入5%的聚乙烯醇(PVA)溶液和蛋白质发泡剂(质量比为:50:38:12),经高速机械搅拌得到浆料,将浆料注入模具中并经液氮速冷后转入真空冷冻干燥机充分冻干成型,成型后的材料经1200℃烧结保温2h得到锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷医用骨修复材料。
掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的孔隙率在80%-83%,平均孔径为390μm,拥有良好的贯通性,是细胞迁移和组织长入适宜的孔径。平均抗压强度为13.5MPa。
不同锌含量样品的XRD谱图如图3所示,结果表明:Zn元素的加入使得多孔生物活性玻璃陶瓷复合材料的主晶相发生改变,当Zn元素含量达到一定水平的时候(摩尔百分比达到1.8%)材料的主晶相转变为锌黄长石相,结晶度提高。
不同掺锌浓度样品的抗压强度如图4所示,材料中少量锌元素的掺入可以显著提高材料的抗压强度(1.8%Zn和3.6%Zn的抗压强度分别为未掺杂材料的310%和225%)。更多Zn元素(如7.2%Zn)的掺入则会导致材料中玻璃相大量增加,反而不利于强度提高。按制备工艺制备直径为(20±2)mm,高度为(20±2)mm的柱状试样,将试样上下表面打磨平整并清洗,确保试样上下表面平行度小于0.01mm/cm,每组试样不少于5个。
将各组试样装载于万能材料力学测试机上,以200N/s的速度施加负荷,直至试样破坏(以试样高度发生10%的变化为试样破坏点)。
结果表明:多孔生物活性玻璃陶瓷复合材料的抗压强度得到明显的提高。
锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷特性分析
掺锌前的多孔生物活性玻璃陶瓷(a)与MG-63细胞共培养3天和掺锌后多孔生物活性玻璃陶瓷(b)与MG-63细胞共培养3天后的SEM照片如图5所示,结果表明,与细胞共培养3天后各组材料表明均有细胞粘附和铺展,然而细胞的生长状况并不相同。未掺锌材料表面生长的细胞密度要明显低于掺锌组,且细胞密度和铺展情况不如掺锌组材料,显示细胞的生长和增殖受到了一定程度的抑制。掺锌材料的表面已基本被细胞覆盖,细胞多呈梭形并完全铺展,仅有非常少的材料表面仍然裸露在外,且能观察到细胞分泌的细胞外基质,显示细胞增殖迅速、处于非常活跃的状态。掺锌后多孔生物活性玻璃陶瓷更加利于细胞增殖、生长。
以新西兰大白兔为实验对象,研究锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷的骨诱导修复能力。
动物模型建立:6月龄新西兰成年大白兔雌性和雄性相同数量,体重2.5-2.8kg,将新西兰大白兔后腿上的兔毛剔除掉,在股骨髁处钻孔,人为制造一个圆柱形骨缺损,将准备好的锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料植入此骨缺损处,进行缝合,动物饲养(如图6所示)。
植入8周后观察组织结构(如图7所示),(a)为HE染色,(b)为Masson三色染色,NB=新生骨组织,M=材料碎片,结果表明:植入8周后,锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料出现降解,锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料周围未见纤维包裹,显示锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料具有良好的组织相容性。锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料内部未见肉芽组织而有大量新骨形成并填充材料降解后所留下的空隙,显示掺Zn的多孔生物活性玻璃陶修复材料能够匹配新骨生成。
材料植入动物体内8周后的I型胶原免疫组化染色图片如图8所示,掺锌前(a)和掺锌后(b),NB=新生骨组织,M=材料碎片,FT=纤维细胞和纤维组织。结果表明:植入8周后,没有掺锌材料的内部出现明显的降解,大量不具有结构强度的肉芽组织和纤维组织填充材料降解后所留下的空间(图中FT)。而Zn-AW材料在降解后留下的空间则被新生的骨基质所填充,说明Zn元素的掺入使原来的材料具有了更优秀的原位骨诱导能力。
以上所述,仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的制备方法,其特征在于,该制备方法包括以下步骤:
步骤S1:制备Zn-AW前驱体粉;
步骤S101:将正硅酸乙酯和磷酸三乙酯溶于无水乙醇溶液中,并使之充分混合;
步骤S102:Mg(NO3)2、Ca(NO3)2、NH4HF2和Zn(NO3)2溶解于水中得到无机溶液,将无机溶液缓慢滴加至步骤S101制备的有机溶液中,并加入HNO3调节混合溶液pH值为1.0-1.5,搅拌直至形成稳定的溶胶,室温下陈化24h,放入液氮速冷后转入真空冷冻干燥机中,在-40℃下,经充分冷冻干燥得到含锌干凝胶粉末;
步骤S103:将步骤S102制得的含锌干凝胶粉末经800℃煅烧,球磨过200目筛后得到前驱体粉末;
步骤S2:制备锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷;
步骤S201:在步骤S1制备的Zn-AW前驱体粉中加入5%的聚乙烯醇溶液和蛋白质发泡剂,经高速机械搅拌得到浆料,将浆料注入模具中并经液氮速冷后转入真空冷冻干燥机充分冻干成型;
步骤S202:成型后的材料经1200℃烧结保温2h得到锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的制备方法,其特征在于,在上述步骤S101中,正硅酸乙酯和磷酸三乙酯的摩尔比为2.3~2.8:1。
3.根据权利要求2所述的一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的制备方法,其特征在于,正硅酸乙酯和磷酸三乙酯的摩尔比为2.5:1。
4.根据权利要求1所述的一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的制备方法,其特征在于,在上述步骤S102中,Mg(NO3)2、Ca(NO3)2、NH4HF2和Zn(NO3)2的摩尔比为0~7.2:50.3:0.2:0~7.2。
5.根据权利要求4所述的一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的制备方法,其特征在于,Mg(NO3)2、Ca(NO3)2、NH4HF2和Zn(NO3)2的摩尔比为3.6:50.3:0.2:3.6。
6.根据权利要求1所述的一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的制备方法,其特征在于,在上述步骤S201中,Zn-AW前驱体粉、聚乙烯醇和蛋白质发泡剂的质量比为45~60:40~50:8~12。
7.根据权利要求6所述的一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的制备方法,其特征在于,Zn-AW前驱体粉、聚乙烯醇和蛋白质发泡剂的质量比为50:40:10。
8.一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷由权利要求1~6任一项所述的制备方法获得。
9.权利要求7所述的掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷作为修复材料在非承力部位骨缺损、骨损伤的修复中应用,还可作为组织工程骨支架材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010916862.4A CN112156226A (zh) | 2020-09-03 | 2020-09-03 | 一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010916862.4A CN112156226A (zh) | 2020-09-03 | 2020-09-03 | 一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112156226A true CN112156226A (zh) | 2021-01-01 |
Family
ID=73857572
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010916862.4A Pending CN112156226A (zh) | 2020-09-03 | 2020-09-03 | 一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112156226A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113633821A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-12 | 上海交通大学医学院附属第九人民医院 | 一种温敏型可注射型胶原/壳聚糖/掺锌生物玻璃纳米颗粒水凝胶材料及其制备方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1724431A (zh) * | 2005-06-29 | 2006-01-25 | 四川大学 | 溶胶-凝胶法制备硅灰石/磷灰石(aw)生物活性玻璃陶瓷 |
US20170266231A1 (en) * | 2013-03-14 | 2017-09-21 | Novabone Products, Llc | Processing methods of solgel-derived bioactive glass-ceramic compositions and methods of using the same |
CN107308499A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-11-03 | 上海师范大学 | 纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料及其制备方法和应用 |
-
2020
- 2020-09-03 CN CN202010916862.4A patent/CN112156226A/zh active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1724431A (zh) * | 2005-06-29 | 2006-01-25 | 四川大学 | 溶胶-凝胶法制备硅灰石/磷灰石(aw)生物活性玻璃陶瓷 |
US20170266231A1 (en) * | 2013-03-14 | 2017-09-21 | Novabone Products, Llc | Processing methods of solgel-derived bioactive glass-ceramic compositions and methods of using the same |
CN107308499A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-11-03 | 上海师范大学 | 纳米生物玻璃/高分子三维多孔材料及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
杜瑞琳: "Na、Mg、Zn、Ti 掺杂 58S 生物活性玻璃和玻璃陶瓷的制备与性能研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士) 工程科技I辑》 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113633821A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-12 | 上海交通大学医学院附属第九人民医院 | 一种温敏型可注射型胶原/壳聚糖/掺锌生物玻璃纳米颗粒水凝胶材料及其制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7709081B2 (en) | Porous bioactive glass and preparation method thereof | |
Meng et al. | Effects of adding resorbable chitosan microspheres to calcium phosphate cements for bone regeneration | |
WO2017219654A1 (zh) | 一种可降解含镁的磷酸钙-硫酸钙多孔复合生物支架 | |
US9198936B2 (en) | Devices and methods for the regeneration of bony defects | |
EP1825868B1 (en) | Process for producing porous object comprising apatite/collagen composite fiber | |
EP1743661B1 (en) | Method of controlling average pore diameter of porous material containing apatite/collagen composite fiber | |
US20070113951A1 (en) | Osteochondral composite scaffold for articular cartilage repair and preparation thereof | |
Yoshida et al. | Bone augmentation using a highly porous PLGA/β‐TCP scaffold containing fibroblast growth factor‐2 | |
US11497829B2 (en) | Method for manufacturing support for regenerating core-shell structured hard tissue and support for regenerating core-shell structured hard tissue manufactured thereby | |
CN109133971B (zh) | 一种磷酸钙/生物活性玻璃骨修复支架及其制备方法 | |
CN107185033A (zh) | 一种抗感染生物陶瓷人工骨及其应用 | |
US20110034391A1 (en) | Shaped article | |
CN111773432A (zh) | 镁基非晶-磷酸钙/硅酸钙复合填充物及其制备与应用 | |
CN102085392B (zh) | 纳米钙磷盐/胶原复合支架及其制备方法与应用 | |
CN110694103B (zh) | 一种骨再生修复用复合生物活性陶瓷支架制备方法及其产品 | |
JP5008135B2 (ja) | アパタイト/コラーゲン複合体からなる多孔体及びその製造方法 | |
CN1762897A (zh) | 可降解泡沫状掺锶磷酸钙陶瓷骨支架材料的制备工艺 | |
CN112156226A (zh) | 一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法 | |
Lei et al. | Biphasic ceramic biomaterials with tunable spatiotemporal evolution for highly efficient alveolar bone repair | |
CN112076350B (zh) | 具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶及其制备方法与及应用 | |
JP4968639B2 (ja) | リン酸カルシウム及びアパタイト/コラーゲン複合物からなる複合体 | |
KR101686683B1 (ko) | 인산 칼슘 시멘트의 다공성 스캐폴드 제조방법 | |
EP2933241B1 (en) | Method for producing a porous calcium polyphosphate structure | |
JP2008295791A (ja) | アパタイト/コラーゲン複合体からなる多孔体及びその製造方法 | |
CN110201228A (zh) | 一种含脱钙骨基质的磷酸钙骨水泥及其制备方法和应用 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210101 |
|
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |