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科，將工程學的概念與生命科學相互結合，并用以發(fā)展可以存儲，保持和改進組織功能的生物替代物。骨組織工程修復的基本過程是：將細胞種植在支架上，移植至人體并與人體組織相互結合，形成新骨并用其修復骨缺損。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，以利于細胞的長入。因此，制備出具有著三維大孔結構，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

2、材料中，生物玻璃(bioactive glass，BG)以其優(yōu)異的骨修復性能和生物相容性，被廣泛地應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、孔容以及孔徑等結構相關。需要指出的是，溶膠凝膠法所合成常規(guī)BG材料中也具有無規(guī)則的納米孔，但其孔分布較寬，孔體積相對較小。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，孔徑和孔結構可調，比

3、表面積以及孔容較大等優(yōu)點，能極大地提高了生物材料的體外成骨活性。前人通過改變無機前驅物的投入比、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，從而對組成結構與生物活性的關系有了深入的理解。然而，如何有效地控制MBG材料的形貌，使其能更廣泛地應用在臨床醫(yī)學如骨組織工程學等方面，還有待深入研究。此外，MBG材料的機械強度不高，韌性差，這也制約著其在臨床上的廣泛應用

4、。因此，改善MBG材料的機械性能是亟需解決的問題。
　　 本論文針對目前研究中存在的問題，對MBG材料進行改性研究。一方面通過控制合成的過程，得到不同形貌的MBG材料；另一方面，通過向MBG材料中添加不同的金屬氧化物，以期能改善材料的機械性能，并保持生物活性。
　　 利用表面活性劑自組裝結合溶膠-凝膠化學，通過高速噴制的過程，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。經研究發(fā)現，當CaO含量<35％時，HCl的濃度控制在2-4 mol/L時，可合成出有序的MBG纖維；含水量的控制也很重要，當水比硅源(正硅酸乙酯)的摩爾比在～2.6時，更容易噴制出粗細均一的纖維材料。材料在保持有序的介觀結構以及優(yōu)異的體外成骨活性的同時，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、的成骨細胞培養(yǎng)液中培養(yǎng)5天后，發(fā)現材料有很好的生物相容性，其三維大孔結構有利于細胞的貼壁生長。因此，預期新型有序的MBG纖維可望成為一種優(yōu)良的骨組織工程支架材料。此外，在合成過程中結合噴霧干燥的方法，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。通過控制前驅液的濃度和溫度得到不同形貌的MBG材料。在進風溫度為100℃的情況下，更容易合成出空心球狀的MBG，材料有序的介觀結構能基本得以保持。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。溫度在180℃時，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。材料的介觀結構基本塌陷，孔徑孔容，比表面都較小，故浸泡在SBF液24小時后，仍然很難在材料表面觀察到HA的生長。
　　 為了提高材料的機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，對材料的介觀結構沒有明顯的影響。但是隨著MgO含量的增多，HA生長速率明顯減慢，且伴隨著類白磷鈣礦β-(Ca，Mg)3(PO4)2的生成。對于添加ZnO的樣品，即使添加量為1％，在短時間內(48 h)仍然觀察不到HA的生長。故MgO和ZnO的添加都不同程度地延緩了HA的生長。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TiO2含量超過5％，介觀結構坍塌