新型有序纳米介孔生物玻璃材料的合成与体外生物活性研究

摘要

生物活性玻璃(BioactiveGlasses，BG)是一类重要的骨修复材料，其组成为二氧化硅、氧化钙、五氧化二磷，亦可添加少量的Na：O，‘MgO等。当植入人体内，BG能与骨形成紧密结合，并迅速有效地促进骨修复，因而具有很好的成骨性能；同时BG还具有优越的生物相容性和自降解性能。目前BG已经通过美国FDA认证，可以用作多种临床手术后的骨修复材料。近来又发现BG中的离子溶解产物可以激活基因的表达。这些广阔的应用前景促使人们对BG的成骨机理作更深入的研究，同时制备成骨活性更佳的生物材料。 制备BG材料的方法可分为熔融烧结法和溶胶凝胶法两大类，其生物活性与组分、孔容以及孔径等结构相关。前期研究表明：只有大于2am的介孔才能有效地诱导骨生长，同时提高介孔孔容亦对提高生物活性有利。需要指出的是，溶胶凝胶法所合成常规BG材料中也具有无规则的纳米孔，但其孔分布较宽，孔体积相对较小。此外，由于传统BG材料的孔容、孔径随组分的变化而变化，组分均一性也较差，因此，传统BG材料中组分和活性的关系并没有被真正地揭示出来。如何有效地控制BG材料的结构和组成，深入理解组成．生物活性、结构．生物活性的关联，进而理性地设计合成，制备出成骨活性更高的生物玻璃材料，具有重大的理论价值和实际意义。 本论文针对目前研究中存在的问题，提出了利用表面活性剂自组装制备新型有序纳米介孔生物玻璃(MesoporousBioactiveGlasses，MBG)材料的新方法。介孔材料最突出的特点就是介孔的孔径分布均一、可调，比表面积以及孔容较大。期望利用介孔材料的这些特点，获得组分、结构可控，生物性能更佳的新型生物玻璃材料。通过采用溶剂挥发诱导自组装并结合溶胶．凝胶技术，我们制备了一类新型MBG材料。通过改变无机前驱物的投入比、焙烧温度、表面活性剂种类等方法，获得了一系列不同组成、不同焙烧温度、不同孔径的MBG材料。在不同组成(Si02含量60-100％)时，用相同表面活性剂为模板所制备MBG的孔结构不随组分的改变而改变，比表面和孔容相对较大且一致，孔径分布狭窄均一，孔道形状相同，这表明MBG具有与传统BG材料完全不同的成孔机制。此外，MBG组分均匀性好，无机物种CaO等以无定形的方式在纳米尺度均匀地分布在SiO：的骨架中。在用不同焙烧温度(873-1173K)处理MBG的情况下，当焙烧温度不超过1073K时，MBG呈现出有序的介观结构，当温度为1173K时由于强烈的晶化导致介观结构坍塌。利用不同分子量大小的表面活性剂，制备得到不同孔径(2．0，3．4，5．0，6．4am)的MBG材料。通过研究MBG材料在水中的溶出行为，说明MBG材料具有很好的降解能力；此外，通过改变相关工艺，还可得到不同宏观形貌的MBG(如膜、单片、纤维、多级结构)。 我们通过控制MBG材料的化学组分、化学结构、孔结构各个参数，对MBG材料的体外生物活性进行了系统的研究。首先，我们考察了不同组分MBG材料的体外成骨行为，得到如下次序：80S15C>70S25C>60S35C>90S5C>100S。这与传统BG材料的生物活性顺序相差很大：在BG中80S组分的生物活性很弱，而60S组分是里面最好的。导致这一差别的原因在于BG材料的孔结构随组成的改变而改变，所以不能真正合理地研究与揭示材料的组成、结构与成骨性能之间的关系。在经过不同温度焙烧的MBG例子中获得了973≥873>1073>1173K的生物活性规律。在不同孔径的情况下，我们得到了相同组分MBG材料的体外生物活性顺序为6．4≈5．0>3．4>2．0nm。通过实验发现除孔径外，墙壁厚度是影响离子溶出沉积的一个重要因素。同时，我们通过引入计算在SBF溶液中CaP消耗总量、CaP的IP值与△【Ca】/△【P]比值这些方法，来衡量各种MBG材料的体外成骨活性，一定程度上可以揭示材料的成骨行为，对理解羟基磷灰石的成核生长机理，以及如何提高材料的成骨能力，如何调控材料的离子释放行为等有很大的帮助。另外，我们还比较了MBG与BG的体外生物活性，发现在相同的组分(80S15C)下MBG的成骨性能要优于传统的BG材料。 在此基础上，我们又进一步比较了MBG与商品化生物玻璃Novabone的体外生物活性和生物相容性。与此同时，还对不同颗粒度的介孔生物玻璃的体外成骨性能与降解能力进行了考察，其体外生物活性与降解能力均随着颗粒度的增大而减小。体外生物活性实验表明，MBG具有较高的生物活性，较强的降解性，且反应后对微环境的pH值的影响较小，可大致保持局部体液酸碱稳定。细胞毒性实验表明MBG浸提培养液对成骨细胞的增殖和分化的作用明显优于商品化的Novabone生物玻璃。MBG无细胞毒性反应。因此，MBG作为一种新型的生物材料，具有良好的生物相容性和生物活性，是一种很有前途的新型骨修复材料。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:论文中所涉及到的专业名词的缩写说明

第一章文献综述

第二章新型有序介孔生物玻璃的合成与表征

第三章介孔生物玻璃的体外生物活性研究

第四章介孔生物玻璃与商品化生物玻璃的比较

附录

致谢

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