生物活性玻璃的结构、性能及生物矿化性能研究

摘要

生物活性玻璃因其优良的生物活性、生物相容性和骨修复特性，几十年来得到了人们的密切关注和深层次研究，并现已广泛应用于骨组织修复领域。生物活性玻璃的性能在很大程度上决定于其成分、微观结构和制备工艺。本课题首先研究了熔融法制备Na2O-CaO-P2O5-SiO2系统生物活性玻璃45S5的制备工艺，结合密度测试、EDS、SEM、FTIR以及XRD等多种测试手段，考察了熔融条件对其成分、微观结构和生物活性的影响。结果表明，熔融条件对生物活性玻璃的成分、结构和性能的影响主要是通过Na2O组分的挥发和玻璃熔体均一性两方面来实现的。通过体外模拟矿化实验（in vitro test）和红外漫反射光谱分析对不同工艺条件下制备的试样的体外生物活性进行数值化比较，得出了熔融法制备生物活性玻璃的最佳工艺条件：熔融温度1450℃，熔融时间30min。最后通过测试结果的对比计算，得出在最佳工艺条件下Na2O组分烧失量为17．4％，由此改进了制备45S5生物活性玻璃的原料配方。此研究结果可用于熔融法制备生物活性玻璃的标准化制备工艺控制。
　　 在熔融法制备生物活性玻璃45S5的实验过程中，不同熔融条件下制备的试样会呈现不同的颜色：淡红色、淡蓝色与无色。为了探讨生物活性玻璃的显色机理，进而控制其制备工艺，对不同的熔融条件下制备的显色生物活性玻璃试样，采用紫外-可见分光光度计测定了其在可见光范围内的透光曲线，并采用XRF测试确定了显色是由微量杂质离子造成的，包括过渡离子Ni2+、Fe2+导致的离子显色，以及Fe3+和S2-生成着色基团导致的显色。然后讨论了熔融条件影响生物活性玻璃显色的机理，随着熔融温度的升高和熔融时间的增加，熔体中的显色杂质元素由于发生氧化-还原反应而导致价态或含量的变化，使生物活性玻璃显色从淡红色，经由无色，逐步向淡蓝色过渡。
　　 其后研究了烧结法制备45S5生物活性玻璃骨组织工程多孔支架的工艺，采用液重天平法、抗压强度测试、SEM、FTIR、XRD等一系列测试手段研究了生物活性玻璃原料粒径、造孔剂粒径、成型压力、烧结制度等工艺因素对多孔支架试样的孔隙率、抗压强度、孔隙微观形貌以及结晶度的影响，并考察了试样的体外模拟矿化性能，从而探讨出制备具备较大孔隙率（大于50％）、有一定力学性能（抗压强度大于1．5MPa）、孔径尺寸可控，同时具有较好生物活性的生物活性玻璃多孔骨组织工程支架的最佳制备工艺。
　　 最后采用溶胶-凝胶法，以聚乙二醇（PEG）为改性剂，通过PEG链对溶胶体系内溶胶粒子的吸附、连接、导向作用，调控溶胶粒子的生长及凝胶过程，同时施以一定速率的机械搅拌作用，实现对凝胶的宏观形貌的控制，制备了具备特定宏观形貌-针状（Needle-like）的生物活性玻璃试样，并讨论了其形成的机理。通过改变制备工艺参数探讨了PEG加入量和搅拌速率对针状试样形貌，包括针状试样的长度和粗细的影响。结果显示，随着聚乙二醇量的增加，所形成的针状试样明显增粗，且长度有所增加；随着搅拌速度的增加，制备的针状试样变粗且长度明显增加。采用SEM、TEM测试对针状试样进行微观形貌的观察，得知试样是由微米级微球相互联结而组成的，同时试样具备较多大孔与微孔结构，因此试样具有较高的比表面积。最后通过体外模拟矿化实验，结合FTIR、XRD和SEM测试手段，证明了针状生物活性玻璃试样其具备很好的生物活性。因为其特殊的宏观形貌、一定的力学性能以及优良的生物活性，本实验所制备的针状生物活性玻璃试样可用于制备多孔支架材料。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 生物医学材料

1.2 生物活性玻璃

1.2.1 熔融法生物活性玻璃

1.2.2 溶胶-凝胶生物活性玻璃

1.2.3 生物活性玻璃的生物活性

1.2.4 生物活性玻璃的基因激活作用

1.2.5 生物活性玻璃的应用

1.3 骨组织工程支架

1.3.1 生物活性玻璃骨组织工程多孔支架的制备

1.4 本课题的研究目的、意义及主要内容

1.4.1 本研究的目的、意义

1.4.2 本研究的主要内容

1.4.3 本研究的创新之处

第二章 生物活性玻璃熔融条件对其微观结构及性能的影响

2.1 引言

2.2 实验

2.2.1 实验材料与设备

2.2.2 生物活性玻璃试样的制备

2.2.3 生物活性玻璃试样的体外矿化性能比较

2.3 试样的测试与表征

2.3.1 X射线能谱(EDS)分析

2.3.2 密度测试

2.3.3 傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析

2.3.4 X射线衍射(XRD)分析

2.3.5 扫描电子显微镜(SEM)微观形貌分析

2.4 结果与讨论

2.4.1 EDS成分分析

2.4.2 密度测试

2.4.3 傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析

2.4.4 X射线衍射(XRD)分析

2.4.5 生物矿化性能比较

2.5 熔融法制备生物活性玻璃45S5原料配方的改进

2.6 本章小结

第三章 熔融法生物活性玻璃显色机理研究

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 实验材料及设备

3.2.2 生物活性玻璃试样的制备

3.3 试样的测试与表征

3.3.1 可见光透光曲线测定

3.3.2 X射线荧光光谱(XRF)分析

3.4 结果与讨论

3.4.1 可见光选择性吸收

3.4.2 XRF元素分析

3.4.3 生物活性玻璃显色机理讨论

3.5 生物活性玻璃显色的验证

3.6 本章小结

第四章 生物活性玻璃骨组织工程多孔支架的制备

4.1 引言

4.2 实验

4.2.1 实验材料及设备

4.2.2 生物活性玻璃多孔支架的制备

4.2.3 材料的体外模拟矿化实验

4.3 材料的测试与表征

4.3.1 显孔隙率测试

4.3.2 孔隙形貌观察

4.3.3 抗压强度测试

4.3.4 X射线衍射(XRD)测试

4.3.5 傅立叶变换红外光谱(FTIR)测试

4.4 结果与分析

4.4.1 生物活性玻璃多孔支架的孔隙率

4.4.2 试样微观形貌、孔隙结构观察

4.4.3 材料的抗压力学性能

4.4.4 材料的晶相结构

4.4.5 生物活性多孔支架材料的生物活性表征

4.5 本章小节

第五章 溶胶-凝胶法制备针状生物活性玻璃

5.1 引言

5.2 实验

5.2.1 实验材料与设备

5.2.2 针状生物活性玻璃的制备

5.2.3 体外模拟矿化实验

5.3 试样的测试与表征

5.3.1 光学显微镜观察

5.3.2 氮吸附(BET)测试

5.3.3 扫描电子显微镜(SEM)微观形貌分析

5.3.4 透射电子显微镜(TEM)测试

5.3.5 傅立叶变换红外光谱(FTIR)测试

5.3.6 X射线衍射(XRD)分析

5.4. 结果与讨论

5.4.1 针状生物活性玻璃试样的制备机理

5.4.2 制备条件对试样形貌的影响

5.4.3 针状生物活性玻璃试样的微观形貌观察

5.4.4 针状生物活性玻璃试样比表面积与孔径测试

5.4.5 试样生物活性表征

5.5 针状生物活性玻璃制备多孔支架材料的应用

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢