形貌及組分可控的新型介孔生物玻璃材料的制備和性能研究.pdf

1、組織工程作為一門交叉學(xué)科，將工程學(xué)的概念與生命科學(xué)相互結(jié)合，并用以發(fā)展可以存儲(chǔ)，保持和改進(jìn)組織功能的生物替代物。骨組織工程修復(fù)的基本過(guò)程是：將細(xì)胞種植在支架上，移植至人體并與人體組織相互結(jié)合，形成新骨并用其修復(fù)骨缺損。故在骨組織工程的研究中，支架材料扮演著非常重要的角色。然而支架材料必須擁有三維空間連通的大孔，以利于細(xì)胞的長(zhǎng)入。因此，制備出具有著三維大孔結(jié)構(gòu)，且有著更佳成骨活性的生物支架材料具有重要的意義。
　　 在眾多的骨修復(fù)

2、材料中，生物玻璃(bioactive glass，BG)以其優(yōu)異的骨修復(fù)性能和生物相容性，被廣泛地應(yīng)用在骨缺損等疾病的治療中。研究表明，BG材料的生物活性與組分、孔容以及孔徑等結(jié)構(gòu)相關(guān)。需要指出的是，溶膠凝膠法所合成常規(guī)BG材料中也具有無(wú)規(guī)則的納米孔，但其孔分布較寬，孔體積相對(duì)較小。而利用表面活性劑自組裝制備出的新型有序的介孔生物玻璃(mesoporous bioactive glass，MBG)，具有組分分布均一，孔徑和孔結(jié)構(gòu)可調(diào)，比

3、表面積以及孔容較大等優(yōu)點(diǎn)，能極大地提高了生物材料的體外成骨活性。前人通過(guò)改變無(wú)機(jī)前驅(qū)物的投入比、焙燒溫度、表面活性劑種類等方法，獲得了一系列不同組分、不同焙燒溫度、不同孔徑的MBG材料，并且比較了這些材料的體外生物活性，從而對(duì)組成結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系有了深入的理解。然而，如何有效地控制MBG材料的形貌，使其能更廣泛地應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)如骨組織工程學(xué)等方面，還有待深入研究。此外，MBG材料的機(jī)械強(qiáng)度不高，韌性差，這也制約著其在臨床上的廣泛應(yīng)用

4、。因此，改善MBG材料的機(jī)械性能是亟需解決的問(wèn)題。
　　 本論文針對(duì)目前研究中存在的問(wèn)題，對(duì)MBG材料進(jìn)行改性研究。一方面通過(guò)控制合成的過(guò)程，得到不同形貌的MBG材料；另一方面，通過(guò)向MBG材料中添加不同的金屬氧化物，以期能改善材料的機(jī)械性能，并保持生物活性。
　　 利用表面活性劑自組裝結(jié)合溶膠-凝膠化學(xué)，通過(guò)高速噴制的過(guò)程，合成出了新型有序納米介孔生物活性玻璃纖維材料(mesoporous bioactive glas

5、s fiber，MBGfiber)。通過(guò)合理地控制材料的組分，體系的含水量和酸度，合成出有序的MBG纖維材料。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CaO含量<35％時(shí)，HCl的濃度控制在2-4 mol/L時(shí)，可合成出有序的MBG纖維；含水量的控制也很重要，當(dāng)水比硅源(正硅酸乙酯)的摩爾比在～2.6時(shí)，更容易噴制出粗細(xì)均一的纖維材料。材料在保持有序的介觀結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的體外成骨活性的同時(shí)，纖維之間搭建出了50-100μm的大孔，三維貫通。將MBG纖維置于SD大鼠

6、的成骨細(xì)胞培養(yǎng)液中培養(yǎng)5天后，發(fā)現(xiàn)材料有很好的生物相容性，其三維大孔結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞的貼壁生長(zhǎng)。因此，預(yù)期新型有序的MBG纖維可望成為一種優(yōu)良的骨組織工程支架材料。此外，在合成過(guò)程中結(jié)合噴霧干燥的方法，快速且大批量地噴制不同形貌的MBG材料，如球狀，棒狀，片狀等。通過(guò)控制前驅(qū)液的濃度和溫度得到不同形貌的MBG材料。在進(jìn)風(fēng)溫度為100℃的情況下，更容易合成出空心球狀的MBG，材料有序的介觀結(jié)構(gòu)能基本得以保持。浸泡在模擬體液(Stimulat

7、ed Body Fluids，SBF)24后，能觀察到羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)的生長(zhǎng)。溫度在180℃時(shí)，可形成棒狀或空心管狀等不規(guī)則的MBG材料，其中以棒狀為主。材料的介觀結(jié)構(gòu)基本塌陷，孔徑孔容，比表面都較小，故浸泡在SBF液24小時(shí)后，仍然很難在材料表面觀察到HA的生長(zhǎng)。
　　 為了提高材料的機(jī)械性能和生物相容性，我們合成了不同組分的MBG材料。首先，制備了含MgO和ZnO的MBG材料。在添加少量MgO

8、或ZnO(<5％)的情況下，對(duì)材料的介觀結(jié)構(gòu)沒有明顯的影響。但是隨著MgO含量的增多，HA生長(zhǎng)速率明顯減慢，且伴隨著類白磷鈣礦β-(Ca，Mg)3(PO4)2的生成。對(duì)于添加ZnO的樣品，即使添加量為1％，在短時(shí)間內(nèi)(48 h)仍然觀察不到HA的生長(zhǎng)。故MgO和ZnO的添加都不同程度地延緩了HA的生長(zhǎng)。其次，制備了含有TiO2的MBG。由于鈦物種的加入，加快了硅物種的水解縮聚，從而影響了材料的自組裝。當(dāng)TiO2含量超過(guò)5％，介觀結(jié)構(gòu)坍塌