生物活性玻璃(共9页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上高分子0902 吴俊 生物活性玻璃研究及应用摘要：生物活性玻璃是一种具有特殊组成和结构的硅酸盐玻璃材料。主要介绍了生物活性玻璃的制备方法、特殊活性以及在各方面的广泛应用。关键字：生物活性玻璃 制备 活性 应用绪论生物材料，包括生物玻璃、生物玻璃陶瓷、生物磷酸钙陶瓷以及生物复合材料、生物涂层等，是一类可对肌体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能的材料。由于其具有较高的生物活性、生物相容性和化学稳定性，近几十年来的研究十分活跃。生物活性玻璃(bioactive glass，BG) 是一种具有特殊组成和结构的硅酸盐玻璃材料，由美国佛罗里达大学Hench教授在1969年研发

2、出来的。具有与骨组织形成化学性结合能力，与骨组织和软组织均有良好的结合能力，在植入体内后生物活性玻璃表面即与体液发生离子反应，最终在玻璃表面形成类似骨中无机矿物的低结晶度碳酸羟基磷灰石层(HCA)，因化学组成与生物体的骨骼相似，容易与周围的骨骼形成牢固的化学键合即骨性结合，具有优良的骨诱导性、骨传导性及生物相容性，已成为材料科学、医学以及生物科学等学科的热点，越来越受到人们的重视，特别是生物活性玻璃复合材料的研发成功，更是给人类健康带来了又一突破性进展，广泛开展生物活性玻璃复合材料的研究具有重要的理论价值和应用价值。1.生物活性玻璃的制备与传统玻璃制备工艺一样，最早的生物玻璃和微晶玻璃都是通过

3、熔融法制备的。随着溶胶凝胶技术的发展，该方法被引用到生物玻璃的制备中来，该方法制备的生物玻璃由于具有高的比表面积，显示出了较高的生物活性。1.1熔融法高温熔融法是大规模工业生产的主要方法也是传统的玻璃制备方法，这种方法具有工艺成熟，操作简单，制得玻璃质量高等特点。高温熔融法制备玻璃时在反应中参与反应的组分的原子或离子受到晶体内聚力的限制，所以反应动力学的决定因素有晶体结构和缺陷、物质的化学反应活性和能量等内在因素;也有反应温度、参与反应气相物质的分压、电化学反应中电极上的外加电压、射线的辐照、机械处理等外部因素。本研究充分利用实验室现有的条件，所有试样均采用高温熔融冷却法制备。实验在空气环境下

4、，于硅碳棒加热炉中熔化;玻璃均化好后在加热的铁板上淬火成型，之后在马弗炉中退火处理。所有玻璃均采用氧化铝柑祸熔制。熔融法制备生物玻璃的方法与传统制备玻璃的方法没有本质差别。一定纯度的粉体原料按照化学计量比混合均匀，在高温(13001500)下熔融，然后淬冷制得玻璃块体，微晶玻璃则还需要进一步的热处理析晶过程。由于生物玻璃中多含碱金属成份，在高温下腐蚀性极强，容易腐蚀增祸带入杂质，因此对增祸具有严格的要求，最好是用铂金增祸。而13001500的高温熔融，对高温设备也有一定的要求，同时能耗较大。含CaO和P2O5的生物玻璃，最具代表性的是Hench等人研制的组成为Na2O24.5%、CaO24.5

5、%、SiO245%、P2056%的Na2O-CaO-SiO2-P205系生物玻璃。Hench生物玻璃的制备过程是将高纯度化学试剂的纯石英(平均颗粒度为 5pm)的混合物在含10%锗的铂金柑祸内熔化，然后将增祸密封以避免挥发。将配合料熔融两个小时不要揭开盖子以使其充分均化。大多数规格不同的植入体骨件的制备是将玻璃液倾入不同的石墨模具中。对于直径超过1cm的样品，模具要预热到300，小件或者薄平的试样是在室温一F倾入石墨模具中的。然后将试样很快转入退火炉中。在退火温度下的热处理时间是4h，此后试样随炉缓慢冷却至室温。表2-1给出了不同组成的Hench玻璃的熔点和退火温度。在熔化和退火过程中需要特别

6、精细以防止生物活性玻璃的任何热致裂纹。将这种玻璃植入骨骼的缺损部位后并不生成软组织膜而直接与生物骨骼形成紧密的化学结合。采用熔融法制备的玻璃具有致密的结构，密度大，比表面积小，生物活性依赖于化学组成。1.2溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种新兴的玻璃制备技术，溶胶一凝胶法是以金属醇盐为原料，在有机介质中进行水解、缩合反应，使溶液经溶胶一凝胶过程，加热凝胶干燥，然后锻烧得到最后产品。目前该法在无机材料科学界受到广泛重视，在稀土发光材料的合成中也占据了极大的比重。这种方法在20世纪90年代才被引用到生物玻璃的制备过程中。溶胶凝胶生物玻璃的玻璃网络结构主要来自于其凝胶过程Si-O的聚合，而不是靠熔融过程中的

7、Si-O重组，锻烧主要是除去凝胶中的有机成份和硝酸根，因此其锻烧温度较低，只需600800，以保证硝酸根的排除。溶胶凝胶法制生物玻璃主要采用金属醇盐作为生物玻璃中氧化物的前驱体，一般使用正硅酸乙醋(TEOS)作为SiO2的前驱体，磷酸三乙醋(TEP)作为PZO:的前驱体，碱金属和碱土金属氧化物则采用各自的硝酸盐作为前驱体。TEOS和TEP在酸或碱的催化作用下在水溶液中进行水解形成溶胶，然后加入硝酸盐等混合均匀，均化后得到凝胶，再经过干燥和锻烧后得到玻璃。溶胶凝胶生物玻璃的制备前期是一种简单的化学过程，后期又不需要过高温度的锻烧，整个工艺过程操作简单，对设备的要求不高。在干燥和锻烧过程中，凝胶块

8、体容易碎裂，而后又不经过熔融成型过程，通过该方法难以得到大块的玻璃块体材料。在锻烧过程中，有机物、水份和硝酸根的排除留下大量的孔洞，溶胶凝胶玻璃具有多孔的结构，密度小，比表面积高，生物活性高，在保持生物活性的前提下，其化学组成可在较大范围内进行调整。溶胶凝胶法反应温度一般为室温或稍高一点，大多数有机活性分子可以引入此体系中并保持其物理性质和化学性质：反应从溶液开始，易控制各组分的比例，且达到分子水平上的均匀，所以产品组成均匀;缺点是反应的原料价格高，且有时较难制得，反应操作也较复杂，周期长。1.3微晶化工艺微晶玻璃是将加有成核剂(个别可以不加)的特定组成的基础玻璃，在一定温度下热处理后，就变成

9、具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料。微晶玻璃与普通玻璃的区别，主要是它们具有结晶结构，而同陶瓷材料的区别，主要是它们的结晶结构更细。微晶玻璃的生产过程，除增加热处理过程外，同普通玻璃的生产工序一样。它的性能是由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量所决定的。调整上述各因素，就可以生产出各种预定性能的材料。微晶化过程又可分为光敏微晶化和热敏微晶化。热处理是微晶玻璃产生预定晶相和玻璃相的关键工序。微晶玻璃的结构，取决于热处理的温度制度。热处理时，玻璃中先后发生分相、晶核形成、晶体生长、二次结晶生长等过程。对于不同各类的微晶玻璃，上述各过程进行的方式也不同，所以每种微晶玻璃都有自己的特殊热

10、处理温度制度。热敏微晶玻璃如在成型后不需要进行进行机械加工或者热加工时，可以进行晶化热处理，同时完成退火的工序。一般采用分段的退火方式进行。第一阶段是在一定温度下保温，使玻璃中产生尽可能多的晶核，这是制得具有微晶玻璃结构材料的先决条件。第二阶段是在较高一些的温度下，令晶体生长，使基础玻璃转化为以微晶结构为主的微晶玻璃。多数微晶玻璃经两个阶段热处理就完成了全部结晶化过程。有时候也要在更高的温度下进行第三次热处理。2生物医用玻璃的活性2.1生物医用玻璃的活性度不同的生物活性材料,其键合机理及键合速度差异显著,这主要归因于材料的活性度不同。生物性度的研究有利于拓展生物活性材料在临床上广泛而有目的的应

11、用。据此,Hench将生物活性材料按其物活性度的高低分成两个等级:一是A级生物活性材料,该材料具有高活性度,不仅能与骨发生键合,且能与软组织发生键合;另一是B级生物活性材料,该材料具有低生物活性度,只能与骨发生键合。生物性材料的生物活性度可用IB来表征:IB=100/t其中t表示50%骨材料界面发生键合所需的时间。由上式可知t越小,即50%骨)材料界面发生键合所用的时间越短,则IB越大,该生物活性材料的生物活性度越高。表1列出了目前临床上所使用的各种生物玻璃的活性度、活性等级及组织反应情况。3生物活性玻璃的应用3.1在骨骼修复中的应用根据生物学活性不同，可以将骨移植替代材料分为两类。一类材料除

12、具有骨传导作用外，还具有骨形成促进作用，能在材料组织界面引起胞内和胞外反应；另一类材料只具有骨传导作用，仅仅引起胞外反应。生物活性玻璃属于第一类材料，具有良好的骨传导和骨形成作用。由于生物玻璃表面在人体的生理环境中可发生一系列的化学反应，并可直接参与人体骨组织的代谢和修复过程，最终可以在材料表面形成与人体骨相同的无机矿物成分碳酸羟基磷灰石 Ca10(PO4)6 (2OH-，CO32-) ，并诱导活骨组织的生长，所以可用于人体骨缺损的填充和修复。生物活性玻璃作为骨替代材料具有以下优点：（1）骨形成迅速，除骨引导作用以外，在颗粒内部及其周围也可见骨生成。（2）颗粒大小均匀，由于颗粒之间空隙和材料表

13、面的大量微孔存在，为血管和组织的长人和紧密结合提供了良好条件。（3）操作性能良好，生物相容性好，有黏附性和局部止血作用。（4）X线阻射，便于术后检查。（5）具有降解性，颗粒可被吸收，最终形成骨样结构。对生物活性材料在体内与骨组织结合面的研究发现，材料在体内环境中表面会形成一层类骨羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)层，骨组织通过HA层与材料进行结合。在力学实验中，断裂不是发生在骨的一侧就是发生在材料一侧，界面结合处却完好无损，表明HA层与骨结合密切，材料在体液环境中沉积HA层的能力成为评判材料活性的一个重要依据。以Ca-Si为基础的生物玻璃。在体液环境中，其表面形成一层富硅层，诱导

14、HA的沉积，从而显示出生物活性。与磷酸钙生物材料相比，生物活性玻璃的组分范围要广，各种对人体无害和能促进骨组织生长的离子都可以添加到生物活性玻璃中以改善其性能。由于生物活性玻璃优良的生物活性和可调节的化学组成，其性能如活性、降解性和力学性能都可以人为调节和控制，使生物活性玻璃成为骨组织修复材料的一个研究热点。国内外许多科学家对此进行了研究。陈晓峰利用溶胶-凝胶法制备了CaO-P2O- SiO2系统生物活性材料，实验表明该类材料为无定形态材料，具有良好的生物活性、组织与细胞亲和性及生物矿化功能，是一类新型的骨修复和骨组织工程材料，可单独或与具有良好生物相容性的高分子类生物材料复合制成性能理想的新

15、型骨组织工程支架。另外还对溶胶-凝胶过程中所需的催化剂进行了选择和研究，研究表明以盐酸为催化剂所制得的溶胶-凝胶生物玻璃具有相对更高的比表面积和较小的平均孔径。张梅梅等通过溶胶-凝胶法合成制备了CaO-P2O5-SiO2系统生物活性玻璃，并通过一定的烧结工艺将其制备成用作骨组织工程支架的多孔材料。宁佳等采用熔融的方法制备出了Na2O-CaO-SiO2-P2O5-B2O3系生物玻璃，发现当玻璃中B2O3/SiO2的摩尔比为3：1时，生物活性较好。随着B2O3与SiO2的摩尔比减小，玻璃的降解速度变慢，获得的羟基磷灰石结晶度较低。利用此特性可控制生物玻璃的降解速度，从而与骨细胞生长速度相匹配。因此

16、，所得到的硼硅酸盐生物活性玻璃有望在硬组织工程支架材料中得到应用。Anbalagan Balamurugan和Gerard Balossier 等17在CaO-P2O5-SiO2系统生物材料的基础上引入少量的Zn，制成CaO-P2O5-SiO2-ZnO生物活性玻璃。通过实验发现少量Zn的引入，不仅没有降低材料的生物活性，而且可以刺激早期细胞的增殖。Na Li等通过研究发现加入聚乙二醇( PEG) 到生物活性玻璃凝胶中可以制得大孔溶胶凝胶生物玻璃。运用这种方法，可以通过改变加入PEG粒子的粒径大小有效地控制块体生物玻璃孔径大小，使制备的骨修复材料能同时满足强度和生物活性的要求。生物活性玻璃具有金

17、属材料及有机材料无法比拟的优点，如生物相容性好，无毒副作用，可与骨骼形成骨性键合并且耐化学腐蚀等，但是它同样存在着致命的不足， 与人体骨相比生物活性玻璃脆性大，尤其是抗弯强度不足，严重限制了该类材料的使用范围。目前生物活性玻璃主要用于骨损伤修复及骨料填充等非承载部位。植入体内的BG的降解有以下几个机制：（1）物理降解，包括由磨损、折断、断裂等物理作用造成的材料结构的破坏和质量的损耗；（2）化学降解，主要是材料的水解、晶体结构的破坏和小分子降解颗粒的形成与扩散：（3）生物降解，就是巨噬细胞和多核吞噬细胞等白细胞的参与下将化学降解得到的小颗粒进一步分解、消化，并将其运送至周围组织进入循环系统的过程

18、。三种降解过程使得BG颗粒在生物组织中被逐步降解和吸收，其降解速率与其促进骨修复的速度相适应，在促进新骨形成的同时，本身亦随降解而从体内消失，并为新生组织所代替。3.2在口腔治疗中的应用3.2.1 髓室穿孔的覆盖修复材料临床上，龋损、病理性吸收或髓腔解剖变异、操作不当等，都可造成髓腔穿通至牙周组织，如不及时用生物材料修复，常导致穿孔区牙周组织的慢性炎症，继而发生牙周附着丧失， 牙槽骨、牙骨质及牙本质吸收，牙周袋形成，从而导致牙髓治疗失败，甚至患牙的拔除。目前虽然已有多种材料用于髓室穿孔的修复，但效果似乎都不甚理想。溶胶-凝胶BG微粒具有一定的流动性和良好的粘附性，植入髓室穿孔处与血液及牙槽骨骨

19、组织接触时，可在瞬间与组织间发生复杂的离子交换，在BG的表面形成富硅凝胶层，并聚集形成无定形碳酸羟磷灰石层，通过钙磷层的快速形成并沉积在穿孔区牙周组织内，最终钙化，形成牙骨质和牙周新附着。BG克服了以往覆盖修复材料生物相容性差、炎症反应重、妨碍牙周组织修复的缺点，为更多髓室穿孔牙的保存提供了可能，生物活性玻璃有望成为髓室穿孔的理想覆盖修复材料。3.2.2 牙科植入材料植入体与自然骨结合界面的稳定性与植入体成功和失败有密切关系。溶胶-凝胶BG在体内可与自然骨组织形成键结合，生长在一起，其组成结构中含有能够通过人体正常的新陈代谢途径进行置换的钙、磷等元素，有与自然骨在化学组成、结构上都相同的基本结

20、构单元磷灰石晶体Ca10(PO4)6 ，可以促进骨组织较快生成和生长。溶胶-凝胶BG在体内不但能与骨组织牢固键合，还能够与软组织键合，在一定成分范围内具有可控释放和降解的能力，是目前惟一能诱导生长因子的生成、促进细胞繁殖、活化细胞基因表达的人工合成的无机材料，已用于填充治疗小型骨骼缺损、治疗牙周疾病以及牙槽骨的增高和增宽术。采用溶胶-凝胶工艺制备的可加工的生物活性微晶玻璃制成复杂的植入体，它具有较高的机械强度，植入体内后能与周围组织交互生长为骨性结合，作为种植体植入材料具有良好的应用前景。据报道，目前已经有两种生物玻璃的牙科材料产品由美国生物公司(US Biomaterials Corpora

21、tion) 开发进入市场，一种是PerioGlas 粉( 90710m)，它是牙周炎的克星。牙周炎是牙根与牙床脱裂而致，PerioGlas既能与牙根成键联结，也能与牙床成键联结，因此PerioGlas 粉剂的填入能使牙根、牙床再次紧密相联，使病人免受痛苦。另外一种是Nova Min，含有生物玻璃粉末的牙膏( 由USBiomaterials Corporation研制)，用于治疗牙齿对冷热过敏及牙周疾病。3.3在创口愈合中的应用生物活性玻璃具有良好的生物相容性和生物活性，传统上用作人工骨或骨诱导剂，但有学者研究发现其也能与软组织结合而促进软组织的再生。其机理为：当该材料植入人体内，在体液的作用下

22、，Na+、Ca2+等活性大的离子首先溶出，体液中的H+进入玻璃表面形成Si-0H-，然后由于Si-O-Si 键破坏，无规网络被溶解，可溶性硅以硅醇形式被放出，并且迅速在材料粉体表面形成一个羟基磷灰石胶结层。可溶性硅有分子水平结缔组织的代谢作用和结构作用，生物玻璃溶解后，局部Si 浓度的升高可促进细胞新陈代谢的细胞内部响应，激发促创伤愈合因子的自分泌反应，参与创伤修复的所有细胞在促创伤愈合因子的刺激下加速生长和分裂，并聚集于材料表面形成的羟基磷灰石胶结层，使新生组织能整个创面顺利爬移和覆盖。BG已成功应用于口腔溃疡和烧伤的治疗，并取得良好的效果。3.4在药物载体方面的应用药物治疗载体是生物玻璃最

23、有前景的应用之一。各类药物储存在多孔的生物玻璃中，植入人体的关键部位，随着生物玻璃表面反应的进行，药物释放，达到有的放矢的治病目的，与传统的注射方法相比，有均匀、长时间治疗等众多的优点，有最大效率的疗效。3.5 在癌症治疗方面的应用生物玻璃被埋入肿瘤附近、对癌细胞进行直接放射或热处理、只杀死癌细胞而又不损伤正常组织。注入磷离子或钇等放射性元素后的生物玻璃，经中子照射下，产生射线以达到长期治疗的目的。 Luderer 等在Al2O3-SiO2-P2O5玻璃基质中掺加铁酸锂，使其成为铁磁玻璃陶瓷，并作为热种子用于癌症的热疗。在CaO-SiO2为基质的玻璃陶瓷中掺加Fe3O4，用其形成的生物活性铁磁

24、陶瓷对癌细胞进行热疗，发现其对骨癌细胞有效参考文献1Matthew B Hall,et al.生物玻璃的研究进展和临床应用J.中医正骨,2001,13(2):58.2陈晓峰，李玉莉，赵娜如溶胶-凝胶生物活性玻璃的纳米结构分析研究J硅酸盐通报，2007，26(2)：247-2513胡晓燕，王光毅，程大胜，等生物活性修复材料康倍治疗烧伤的疗效观察J中国修复重建外科杂志，2007，21(11)：1216-12184 杨宇霞CaO-P2O5-SiO2系统生物活性纳米材料的制备及其生物性能研究D广州：华南理工大学，2004.5 陈晓峰溶胶-凝胶生物活性材料的研制及其生物矿化性能研究D 广州：华南理工大学

25、，2003.6谈国强.生物陶瓷材料M.北京:化学工业出版社2006，1-5.7李世普.生物医用材料导论M.武汉:武汉工业大学出版社，2000，1，87-1008陈希哲，杨连甲.生物陶瓷与组织工程，外国医学:生物医学工程分册M.北京:科学出版社，2000，4-10.9肖世勋.医用生物活性玻璃的制备与性能研究D.长春：长春理工大学，2009.10王涵,张华. 纳米生物医用材料的研究及发展趋势J.天津工业大学，2006.课堂总结：对“生物医用材料”这门课半个学期的学习，我了解到材料在医学上的特殊作用和最新突破，使我学到了很多跨学科的专业知识，材料的价值在于应用，在医学上的应用让材料学科更加伟大。生物

26、医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。学科刚开始时，老师详细讲了生物医用材料的分类、研究现状、相容性等以使我们融入学习生物材料的氛围中。接下来的课程是关于生物医用材料的改性，包括表面修饰、等离子体表面改性、离子注入表面改性大家都知道一份材料的有效利用需要经过特殊的属性提升，而这些科学的方法使之成为可能。继而讲了生物玻璃由SiO2, Na2O, CaO, P2O5等氧化物组成的玻璃系列。

27、生物玻璃的最大优点是具有很高的生物活性，快速与骨组织结合；但它的缺点是强度太低，弯曲强度仅为30-50MPa，无法承受应力的作用。因此它的应用受到了限制，目前仅用于涂层、颗粒和不受力的场合，生物玻璃是软的玻璃，最后的形状尺寸由机械加工得到。常用的机械加工手段都可以用于加工生物玻璃。接下来讲了生物医用复合材料的研究，包括陶瓷基生物医用复合材料、高分子基生物医用复合材料、金属基生物医用复合材料。未来的生物医用复合材料的走向将更加系统。然后讲了人工心瓣膜，瓣膜相当于单向阀门，人的心脏中有四个心瓣膜，保证血液向一个方向流动。在这四个心瓣膜中，左心室的两个瓣膜容易失效，其中又以主动脉瓣最易失效。这类病例

28、可以通过置换人工心瓣膜继续生存。目前，临床上使用机械型和生物型两种人工心瓣，各有特点和适应症。在组织工程材料与人工器官软组织修复与重建中人们梦寐以求的组织器官的修复再建有了实现的可能。与之相对的硬组织修复与骨组织工程材料，硬组织修复与重建材料是生物医学材料中发展最早、最成熟的领域。这不仅表现在临床中被广泛接受与使用，还表现在形成了“生物活性”这个核心概念。最后讲了口腔材料和仿生智能材料，使我们对生物医用材料有了更深的认识。作为一个高分子材料专业的学生，本人对生物医用材料中的高分子方面更有兴趣，幸好王老师也是高分子学科的老师，这让我学习起来更方便！王老师讲课生动有趣，不读枯燥的文字，举例生动详实，让人课后对学习内容还有很深的记忆，感谢老师，让我对生物医用材料有了更多的认识！专心-专注-专业