CN1887361A

CN1887361A - 一种介孔生物玻璃纤维材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN1887361A
Application number: CN 200610029714
Authority: CN
Inventors: 余承忠; 易静; 黄晓辉; 严晓霞
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2007-01-03

Abstract

本发明属生物医学材料技术领域，具体为一种具有骨修复生物活性的介孔生物玻璃(MBG)纤维材料及其制备方法。本发明利用表面活性剂的模板作用，通过溶胶－凝胶过程控制溶胶的粘度，用喷制的方法制备出新型的介孔生物玻璃纤维。该纤维材料既具有可控的微观组成，其主要成分为SiO₂－CaO－P₂O₅，可添加TiO₂、MgO等；其介观结构有序可控，孔径在1－30nm均一可调，比表面为100－1000m²/g，孔体积为0.3－1.5cm³/g，纤维的宏观形貌可控，同时具有优异的成骨活性和细胞活性，以及良好的生物相容性和自降解性能。因此，本发明的新型介孔生物玻璃纤维材料可用于骨缺损修复的填充材料和骨组织工程支架材料。

Description

一种介孔生物玻璃纤维材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物医学材料技术领域，具体涉及一类化学组成、宏观尺寸和介观结构可控的介孔生物玻璃纤维材料及其制备方法和应用。

背景技术

骨缺损是创伤外科、骨科和口腔颌面外科等临床常见疾患。现代医学中，人工骨材料相交于其他的骨替代材料，有许多优势：完全排除免疫排斥反应和传播疾病的可能，同时便于标准化批量生产，对质量较易控制，因此是一种理想的骨缺损修复材料。

在具有骨缺损修复功能的无机生物材料中，目前研究较多的有两大类——羟基磷灰石(HA)和生物玻璃(BG)。而BG是由Hench在70年代初首先报道的，它具有生物活性，即能与体内生命组织成键联结的特点，而且有着优越的生物相容性和自降解性能。目前BG已经通过美国食品与药物管理局(FDA)的认证，可以用作多种临床手术后的骨修复材料。

近年来，组织工程相关生物材料的研究成为了科学家们关注的焦点之一。在骨组织工程研究领域中，一个基本的目标就是将具有成骨或成软骨潜能的细胞诱导分化和增殖，并种植到可生物降解的支架材料上，形成人工骨并用其修复骨缺损。这种支架材料的选择和材料的几何结构对于一个材料来说是非常关键的。纤维材料内部三维相通的结构可为成骨细胞向材料中的生长提供通道和空间，同时加快营养物质向新生骨组织内的运输，增强材料在生物体内的成骨活性。生物玻璃纤维在修复和替代生物体内软或硬组织方面有着巨大的潜力，可以作为有利于硬或软生命组织生长以及作为细胞载体的支架材料。它的优势在于纤维体系可用来模仿生物体骨中正交分布的骨胶原纤维，骨胶原纤维正是羟基磷灰石沉积的母体，同时替代的纤维强度较之前增大。

Hench等将BG拉制成纤维，使用模拟生理体液SBF和DMEM(Dulbecco′s ModifiedEagle′s Medium)培养基进行体外生物活性测试，并观察人体成骨细胞在纤维表面的生长情况。结果表明BG纤维浸泡在SBF和DMEM中一段时间后，表面都会有HA生成(HA的形成是BG材料诱导成骨的先决条件)。Brennan等亦对BG纤维进行了大量的研究，体外生物活性测试的实验结果同样证明了BG纤维材料的生物活性，并且他认为细胞繁殖的速度与支架材料的孔结构以及细胞培养的时间相关，细胞浓度与纤维间距成反比。

现今用常规方法所合成的BG材料中具有无规则的纳米孔，其孔体积相对较小。目前尚缺乏有效的在BG材料中制造纳米孔的技术，尤为重要的是不能对纳米孔的尺寸、纳米孔的结构进行精确控制。这就对理解材料的结构与生物活性的关系、设计成骨活性更佳的修复材料、以及进一步设计合成与提高BG纤维材料作为细胞支架材料的骨诱导活性带来了一定的障碍。

利用表面活性剂自组装制备新型介孔材料(mesoporous materials)已有十余年的研究历史。介孔材料最突出的特点就是介孔的孔径分布均一且在2-30nm范围内可调。由于介孔材料具有高的比表面积和比孔容(分别可大于2000m²/g和2.5cm³/g)，易于调变的规整介孔结构(如孔径、维数、孔道连接方式等)，丰富而易于设计的表面基团(亲水、疏水可调)，以及可调控的宏观形貌(如膜、纤维、球、单晶等)，因而在催化、吸附、蛋白质分离、生物传感器和微电子等领域显示了独特的发展潜力，但介孔材料真正走向实用的报道还很少。很显然，介孔材料具有一系列优异的物理化学性质，但是如何探索其进一步的实际应用，这个问题将直接制约介孔材料这一新型纳米功能材料的进一步发展。

Yan，X.X等提出利用表面活性剂自组装结合溶胶凝胶化学来制备新型有序纳米介孔生物活性玻璃材料(mesoporous bioactive glass，MBG)，进而利用粒径分布较均匀的有机聚合物球来制备大孔-介孔复合生物活性玻璃材料(macro-and meso-porous bioactive glass，MMBG)的新路线并已经获得中国专利(公开号：1554607)。通过研究发现，MBG相较于传统的BG材料有着更好的体外成骨活性。其在介观-微米尺度可控的结构可能还对材料与生长因子、骨细胞等的相互作用影响巨大；而生物活性玻璃在体内的溶出物还可在基因水平上调控成骨过程。然而，关于MBG纤维材料的制备国内外文献未见报道。本发明通过控制溶胶-凝胶体系的粘度拉制纤维，并制备得到可用于骨缺损修复填充和骨组织工程的MBG纤维三维支架材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的介孔生物玻璃纤维材料的制备方法和应用。

本发明提出的介孔生物玻璃纤维材料，利用结构导向剂自组装并通过典型的溶胶-凝胶过程制备获得。组成成分为二氧化硅和其它氧化物，两者的摩尔比为(70-99)：(1-30)，其他氧化物可以为氧化钙、氧化镁、氧化钛、五氧化二磷等中的一种，或几种的混合物。该材料具有可控的介观结构，孔径为1-30nm，分布均一可调，比表面积为100-1000m²/g，孔体积为0.3-1.5cm³/g，其纤维长度为100-1000μm，直径为1-10μm。

本发明的介孔生物玻璃纤维材料是采用非水相方法合成的。将模板剂、硅源、钙源、钛源或磷源溶解在适当的溶剂体系中，通过控制组分、酸的浓度以及r值(水与硅源的摩尔比)的变化，来获得一系列的纤维。选择不同的模板剂，无机前驱物以及酸的浓度等反应条件去控制MBG的介观结构及有序度；控制r值可以控制溶液的可纺性，以达到最合适的粘度去喷制纤维。具体步骤如下：

a)先将结构导向剂和无机前驱物加入含有合成介质的有机溶剂中，在搅拌状态下得到均匀的溶胶，这里的无机前驱物包括硅源和其它氧化物的无机前驱物；

b)将溶胶倒入器皿中，使溶剂进行充分挥发；

c)溶剂挥发，当溶胶达到可以喷制纤维的粘度时，将溶胶转移到喷枪；

d)利用喷枪将纤维喷制到硅片上，再放入干燥器陈化60-80小时，得到凝胶，凝胶充分干燥，然后在550-800℃温度下焙烧4-7小时，脱除结构导向剂。

上述方法中，步骤d中，控制溶剂挥发，溶胶的质量为初始质量的1/4-1/5时，溶胶的粘度到达合适喷纤维的程度，利用喷枪将其喷制成纤维。

上述方法中，控制水与硅源的摩尔比为1.5-2.5。

上述方法中，在非水相合成的温度为室温。

上述方法中，所述的结构导向剂为非离子型表面活性剂，如嵌段共聚物，其分子式为EO_nPO_mEO_n。

上述方法中，所述的无机前驱物，如硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或无机的硅酸钠，其它氧化物的无机前驱物中，钙源为硝酸钙或氯化钙，磷源为磷酸三乙酯，镁源为氯化镁或硝酸镁，钛源为钛酸正丁酯等。

上述方法中，所述的合成介质为酸性介质，如盐酸溶液。酸性介质为非离子型表面活性剂作为结构导向剂时采用。所用的溶剂可以是乙醇或其它非极性溶剂。

本发明具有如下优点：

1.反应条件温和、操作简便易行、原料廉价易得。

2.生物玻璃纤维它的优势在于纤维体系可用来模仿生物体骨中正交分布的骨胶原纤维，骨胶原纤维正是羟基磷灰石沉积的母体，同时替代的纤维强度较之前增大。生物玻璃的成骨活性与材料的孔径及孔容有密切的关系，然而介孔材料最突出的优点是介孔的孔径分布均一且在2-30nm范围内可调，有较高的比表面积和比孔容。介孔生物玻璃纤维兼具生物玻璃纤维与介孔材料的优点，有较好的体外生物活性，能较快较好地生长羟基磷灰石，可以作为有利于硬或软生命组织生长以及作为细胞载体的支架材料，如可用作骨缺损修复填充材料和骨组织工程三维支架材料。

附图说明

图1为由P123为结构导向剂非水相合成的介孔生物玻璃纤维支架材料的SAXS谱图。

图2为由P123为结构导向剂非水相合成的介孔生物玻璃纤维支架材料的透射电镜图。

图3为由P123为结构导向剂非水相合成的介孔生物玻璃纤维支架材料的氮气吸附-脱附曲线以及孔分布曲线。其中，(a)为氮气吸附-脱附曲线，(b)为孔分布曲线。

图4为由P123为结构导向剂非水相合成的介孔生物玻璃纤维支架材料的SEM照片，体外活性测试中放入人体模拟体液(SBF)中(a)为0h，(b)为24h，(c)为72h MBG表面生长HA情况。

图5为由P123为结构导向剂非水相合成的介孔生物玻璃纤维支架材料进行细胞培养实验，将材料放入培养液5天后，细胞的生长情况。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

将4.0g非离子表面活性剂EO₂₀PO₇₀EO₂₀(P123)，1.4g硝酸钙(Ca(NO₃)₄·4H₂O)，6.7g正硅酸乙酯(TEOS)，0.72g磷酸三乙酯(TEP)溶于60g乙醇中，并加入1.3g 4M盐酸溶液，室温下搅拌24h，得到稳定的溶胶；将溶胶在室温下敞开挥发，直至溶液粘度到达可以喷制纤维程度；将溶胶倒入喷枪中，将纤维喷制到硅片上，陈化约72h，使水解-缩聚反应充分进行，形成凝胶，将凝胶置于干燥器中。干燥后得到的凝胶块在马弗炉内于700℃焙烧5h，即可得到二维六方相(p6mm结构)的介孔生物玻璃纤维材料。

实施例2

将4.0g非离子表面活性剂EO₂₀PO₇₀EO₂₀(P123)，0.95g硝酸钙(Ca(NO₃)₄·4H₂O)，6.7g正硅酸乙酯(TEOS)，0.72g磷酸三乙酯(TEP)，0.40g氯化镁(MgCl₂·6H₂O)溶于60g乙醇中，并加入1.3g 2M盐酸溶液，室温下搅拌20h，得到稳定的溶胶；将溶胶在室温下敞开挥发，直至溶胶粘度到达可以喷制纤维程度，将溶胶倒入喷枪中，将纤维喷制到可以耐高温的硅片上，陈化约80h，使水解-缩聚反应充分进行，形成凝胶，将凝胶置于干燥器中。干燥后得到的凝胶块在马弗炉内于600℃焙烧4h，即可得到二维六方相(p6mm结构)的介孔生物玻璃纤维材料。

实施例3

将4.0g非离子表面活性剂EO₂₀PO₇₀EO₂₀(P123)，0.95g硝酸钙(Ca(NO₃)₄·4H₂O)，6.7g正硅酸乙酯(TEOS)，0.72g磷酸三乙酯(TEP)，0.681g钛酸正丁酯溶于60g乙醇中，并加入1.3g 3M盐酸溶液，室温下搅拌28h，得到稳定的溶胶。将溶胶在室温下敞开挥发，直至溶液粘度到达可以喷制纤维程度，将溶胶倒入喷枪中喷制纤维，将纤维喷制到可以耐高温的硅片上，陈化约60h，使水解-缩聚反应充分进行，形成凝胶，将凝胶置于干燥器中，充分干燥。干燥后得到的凝胶块在马弗炉内于550℃焙烧6h，即可得到二维六方相(p6mm构)的介孔生物玻璃纤维材料，但较不添加TiO₂时结构的有序度有所减低。

上述实施例的材料均可用作骨缺损修复填充材料和骨组织工程三维支架材料。

Claims

1、一种介孔生物玻璃纤维材料，其特征在于利用结构导向剂自组装并通过溶胶、凝胶过程制备获得；其组成成分为二氧化硅和其它氧化物，其中其它氧化物为CaO、P₂O₅、TiO₂或MgO中的一种或几种，二氧化硅和其它氧化物的摩尔比为(70-99)∶(1-30)；该材料具有可控的介观结构，孔径为1-30nm，分布均一可调，比表面积为100-1000m²/g，孔体积为0.3-1.5cm³/g；纤维长度为100-1000μm，直径为1-10μm。

2、一种如权利要求1所述的介孔生物玻璃纤维材料的制备方法，其特征在于非水相合成，具体步骤如下：

b)将溶胶倒入器皿中，使溶剂进行充分挥发；

3、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于合成过程中随着溶剂的挥发，溶胶的质量为初始质量的1/4-1/5时，溶胶的粘度到达合适喷纤维的程度，利用喷枪将其喷制成纤维。

4、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于控制水与硅源的摩尔比为1.5-2.5。

5、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于在非水相合成的温度为室温。

6、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所用的结构导向剂为非离子型表面活性剂。

7、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的无机前驱物，其中硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或无机的硅酸钠，其它氧化物的无机前驱物中，钙源为硝酸钙或氯化钙，磷源为磷酸三乙酯，镁源为氯化镁或硝酸镁，钛源为钛酸正丁酯。

8、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的合成介质为酸性介质。

9、一种如权利要求1所述的介孔生物玻璃材料在制备用于骨缺损修复填充材料或组织工程的三维支架中的应用。