生物玻璃的研究现状制备及发展趋势

生物玻璃的研究现状、制备及发展趋势摘要:生物玻璃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。本文论述了生物玻璃的研究现状，同时对生物玻璃的不同制备方法进行了概述，重点介绍了溶胶-凝胶法制备生物活性玻璃，并展望了生物玻璃发展与应用前景。关键词:生物玻璃；研究现状；溶胶-凝胶法；应用前景1引言生物玻璃是一种与骨组织和软组织均有良好的结合能力的特种玻璃，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）。20世纪70年代初，Hench教授通过熔融法制备出Na2O-CaO-SiO2-P2O5系统的生物玻璃45S5，开创了一个崭新的生物材料研究领域。研究发现，在体内实验中生物活性玻璃比其他生物陶瓷能更快的与骨组织键合，体外模拟体液（SBF）中浸泡一段时间能在其表面生成类骨的碳酸羟基磷石晶体。而且生物玻璃可以通过组分的改变来调节它们的生物矿化及降解性能。然而，生物玻璃材料的生物力学性能，可梯度降解性能和孔结构等问题在一定程度上影响了生物玻璃医疗器械的临床治疗效果。因此，克服生物活性玻璃的不足，进一步改善和提高生物活性玻璃材料的各项性质，将成为材料科学、生物科学及医学及等交叉学科的研究热[1]。2生物玻璃的发展过程及现状继Hench教授研制开发出45S5生物玻璃之后，又有多种生物活性微晶玻璃不断被研制开发出来。1973年，德国Bromer等人通过大幅度减少碱金属氧化物的含量，即减少钾、钠含量，增加钙、磷含量并应用玻璃的微晶技术，成功制备了Na2O-K2O-MgO-CaO-P2O5-SiO2系统的微晶生物玻璃（Ceravital），主晶相为碳酸磷灰石。其化学组成为（摩尔分数）Na2O4.8%，K2O0.4%，MgO2.9%，CaO34.0%，P2O511.7%，SiO246.2%。其生物活性低于45S5玻璃，但其机械性能却有了较大的提高，可以应用于受力不明显的骨缺损的填充，如颌骨的修补，也可作为骨水泥材料应用于临床上。由Hench教授开发的45S5生物玻璃中，K、Na含量较高，因而化学稳定性不好，从而影响其长期耐久性，且强度较低，应用受到限制，1982年，日本京都大学的小久宝正等通过热处理MgO-CaO-SiO2-P2O5-CaF2玻璃制出了高强度的生物微晶玻璃（A-W微晶玻璃），其玻璃基质中含有晶相磷灰石和β-硅灰石。因不含碱金属氧化物，所以它的机械性能较好，是当前力学性能最好的医用微晶玻璃材料，各项力学性能均接近人骨，此外，它与骨骼组织的结合强度也较高。为满足临床使用的需要，生物材料必须被加工成一定形状，这要求生物材料具有良好的可加工性。1983年，Holland等研制成功了商品名为Bioverit的可切削生物微晶玻璃，其主晶相是磷灰石和金云母晶体。这类微晶生物玻璃的特点是既具有一定的生物活性又具有较好的可切削加工性能，可根据临床需要利用一般的机械加工方法制成各种不同形状，材料不会发生断裂。此外，近年来生物材料领域的研究者们相继研制出磷酸盐多孔微晶玻璃、铁磁玻璃陶瓷和含生物玻璃相的复合生物材料等一系列特定性能的生物活性玻璃。生物活性玻璃作为人工医学材料已得到广泛研究和临床应用，越来越显示出惰性生物材料所不能比拟的优势[2]。3生物玻璃的制备3.1熔融法制备生物活性玻璃最早制备生物活性玻璃的方法是熔融法。通常原料要求有一定的纯度，不含有超过限量或未知的对生物体有害的成分。粉状原料在配合时应按适当的称量步骤及次序称出，并放在一起混合，混合时又须注意使配合料保持一定的湿度，以避免粉尘飞扬，一般水分可控制在4%-10%之间。高碱和含磷较高的生物玻璃的熔制，最高温度约在1300-1350℃。熔融法是制备生物玻璃的常用方法，但用这种方法制备生物活性玻璃对原料要求高；熔融过程中易侵蚀坩埚，熔融所需温度高，而高温烧结易造成材料成分不均匀，降低材料的生物活性；组分不易控制，采用该方法制备的生物玻璃密实无孔、比表面积小，一般当SiO2含量超过60%(质量分数)时，玻璃就不再具有生物活性。3.2溶胶-凝胶法制备生物活性玻璃熔融法制备的生物活性玻璃成功用于各种临床应用已有十多年，但由于熔融法的局限性，人们研究开发了溶胶-凝胶生物活性玻璃。Si02-Ca0-P2O5生物玻璃系统的前驱体主要是正硅酸乙脂（TEOS）、四水硝酸钙和磷酸三乙脂(TEP)。用盐酸或硝酸催化TEOS和TEP的水解，通常H2O与醇盐的比值（R值）为（摩尔比）；所有反应物都加入后，充分搅拌，经过充分水解后得到均匀的溶胶；胶凝后陈化一段时间，最后在150℃下干燥；干凝胶经过研磨和过筛，得到的粉体经过压制和烧结就可得到所需的块体材料。大致步骤如图1所示。图1溶胶-凝胶法制备生物活性玻璃的示意图[2]溶胶-凝胶生物活性玻璃具有纳米结构，是由纳米微球组成（如图2），并含有大量5-100nm的孔，其比表面积是熔融法所制备生物玻璃的上万倍，更大的比表面积能为无定形磷酸钙的形成提供更多的Si-OH成核空间，因而其降解速度和表面形成HCA层的速度也更快，具有更高的生物活性。图2溶胶-凝胶法制备的58S生物活性玻璃的SEM图像[3]。相对于传统熔融法制备的生物活性玻璃而言，溶胶-凝胶生物活性玻璃具有许多优点[4]。（1）制备温度低。溶胶-凝胶制备生物活性玻璃的过程基本上是在室温下进行，后续的热处理温度在600-700℃，相对于熔融法（1300-1400℃）制备生物玻璃低得多，节省能源，易于操作。（2）化学纯度高，化学组成均匀。通过将溶液充分混合，可以使溶液在大约0.5nm的尺度内达到化学均匀，这同熔融法使用的微米级粉末原料的混合均匀度相比，提高104-105倍。（3）材料的组成和结构可控。溶胶-凝胶法可以制备熔融法难以制备的特殊组成的材料，能够避免分相和析晶引起的失透现象，大大扩展了某些系统的玻璃成形范围。（4）利用Sol-Gel法适合于制备超细粉体、薄膜、涂层、纤维等多种形式的生物活性玻璃材料，利用熔融法则较难实现。（5）溶胶-凝胶生物活性玻璃具有纳米级微孔、巨大的比表面积、较高的化学活性和吸附特性，这些性质对于制备组织修复材料具有重要意义。如通过复合、表面接枝、生物组装与骨修复有关的蛋白和生长因子等，使材料具有更好的组织修复功能。除了上述优点之外，溶胶-凝胶玻璃同时还存在一些缺点：不同的金属醇盐具有不同的水解速率，可能导致微不均匀性；采用的先驱体成本较高，抵消了低温带来的节能效益；热处理不彻底，样品中会残留羟基或碳，后者使试样带黑色。总体来看，溶胶-凝胶法作为一种湿化学合成方法，因其优越的性能，已收到越来越多的关注。将溶胶－凝胶技术与模板合成技术相结合，在大分子物质的调制下，合成具有高生物活性可调控降解特性以及组织细胞相容性的新型微纳米溶胶-凝胶生物玻璃粉体(球形、放射状、棒状、微囊)和纤维（如图3），为溶胶-凝胶生物活性玻璃及其有机/无机复合材料骨齿科修复体的制备提供基本原料[5,6]。图3新型微纳米生物活性玻璃的结构形态控制[7]3.3溶胶-凝胶自蔓延法制备生物玻璃超细粉在溶胶-凝胶法的基础上，将自蔓延高温合成（selfpropagatinghightemperaturesynthesis,SHS）法引人到生物玻璃的制备中，可在短时间内获得成分均匀的超细生物玻璃前驱粉。将SHS法和Sol-Gel法结合起来，先借助Sol-Gel法得到成分均匀的湿凝胶以实现成分均匀性，然后将湿凝胶与有机燃料相混合，点火发生剧烈燃烧得到粉末以实现超细化。湿凝胶已经是溶胶颗粒的聚集体，与燃料混合时不会破坏凝胶所具有的成分均匀性。该方法综合了SHS法和Sol-Gel法的优点，制得的粉末粒径范围窄，平均粒径小（约为200nm），且具有优良的压制性能。4生物玻璃的应用与发展前景从1985年开始，生物活性玻璃大量应用于临床。生物活性玻璃最早在日本发展并广泛应用于不同领域，如脊椎连接、自体移植后髂骨顶的重建、整形外科手术中多重骨缺损的填充。生物活性玻璃的第一例临床成功应用是用来修复中耳骨，治疗传导性听力损伤。生物活性玻璃被用来维持拔牙后牙槽晴的高度，粒状生物活性玻璃还被用作大型颌骨缺损修复和治疗由齿根膜疾病引发的骨损伤。生物活性玻璃和生物微晶玻璃因其优异的生物活性及组分与性能可设计性而引起广泛关注，生物玻璃的应用领域也因而在不断扩展。目前，生物玻璃用于生物组织和器官损伤的修复及癌症的治疗受到了人们的很大关注，生物玻璃在齿科材料、组织工程支架、药物载体及癌症治疗等领域具有广阔的应用前景[8,9]。4.1生物玻璃的应用领域4.1.1口腔科材料生物玻璃的早期应用主要是在口腔方面，如用于下颌骨置换、牙槽嵴增高、牙周病治疗、根管充填、盖髓、拔牙窝充填、预防牙槽萎缩、骨腔充填等。当前，生物玻璃在口腔科的应用研究得到了迅速发展，主要有以下几大方面。（1）牙周病治疗如何使由于炎症性牙周病导致的骨丧失重新再生，仍然是牙周病治疗的难题。目前的方法包括自体骨移值、异体骨移植、异源体移植、引导组织再生（GTR）或GTR与脱矿冻干骨结合使用等，但都有一定的缺陷。由于生物玻璃独特的成骨特性，可以用于治疗牙周病。（2）牙槽峙的保持与重建拔牙后残余牙槽嵴的不断吸收一直是困扰口腔医生与病人的难题，并将对今后的牙齿修复带来困难。将生物玻璃椎植人新鲜牙槽窝内，有利于牙槽嵴的保持与重建。（3）作为护牙剂成分生物活性玻璃糊剂对口腔微生物有作用。实验发现，生物玻璃可使内氏放线菌在10min内丧失活力，放线共生放线杆菌、牙眼类杆菌、变链菌在60min内丧失活力，血链球菌在60min较显著丧失活力。在水溶液中生物活性玻璃对龈上龈下菌斑有着广谱抗菌作用。因此，无论在防龈还是预防牙周病方面，生物玻璃有着广泛的应用前景4.1.2人工骨材料具有人工骨材料与生物体的亲和性和对生物组织无害的生物功能的新型玻璃已经用于人工骨和人工牙。生物玻璃用于狗肋骨扩增手术中，发现使用生物活性玻璃时，骨修复的速度甚至比使用同量自体骨还要快。作为部分或全部听骨链的主要置换材料，生物玻璃已有十几年的临床应用历史，临床成功率高达90%。中耳骨是生物玻璃最早的产品，移植在人耳中，特别是辅以一些微电子设备，能使某些耳聋病人恢复不同程度的听力。4.1.3药物治疗载体和癌症治疗方面的应用生物活性玻璃具有合适的孔隙，良好的生物相容性，适度的降解率，作为BMP（骨形态发生蛋白）的载体材料，可以在骨修复中使BMP能在局部长时间有效的发挥诱导作用，而且能使BMP在载体的作用下在大范围内起诱导修复作用；此外，生物活性玻璃还可作抗生素或抗骨肿瘤药物的载体用于骨肿瘤的切除后的缺损处或骨髓炎的死腔中，既可以避免全身用药可能带来的副作用，又可以在填补缺损的同时在局部持续，缓慢而有效的发挥抗菌或抗肿瘤作用，作为与手术相辅的疗法，综合提高疗效。将生物玻璃材料埋人肿瘤附近，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。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陶瓷对癌细胞进行热疗，发现其对骨癌细胞有效。4.1.4其他方面的应用尿失禁病人因膀胱尿出口敞开而失控，生物玻璃与某些生物液混合配制成注射液，注射在膀胱出口周围，使其收缩，可使尿失禁得到控制。随着生物玻璃材料强韧化程度的提高，生物玻璃也可用于外科和整形外科方面疾病的治疗，如AW微晶玻璃已经作为人工锥间垫、肠骨垫等使用，可切削生物活性微晶玻璃在整形外科用于隆鼻、颌增高和畸形颌整复等;用于五官科，作为人工喉管支架、眼睛晶状体修复等。4.2生物玻璃的发展趋势生物玻璃作为一种重要的生物医用材料，具有金属材料以及有机材料无法比拟的优点，如生物相容性好，无毒副作用，良好的生物活性，可与骨骼形成骨性键合等，在牙科、骨科等领域具有广阔的应用前景。然而，目前所使用的生物玻璃材料能通过表面化学反应产生磷灰石层与骨结合,但不