溶膠?凝膠法制備含鍶生物玻璃及其溶解性

呂凝磊，尹 乒，夏 明，馮芳芳，李 錕，雷 霆

(1.中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室，長沙410083；2.中南大學(xué)湘雅醫(yī)院，長沙410008)

骨組織是一種無機復(fù)合體，無機組分主要是骨磷灰石，其占骨量的65%左右；有機部分占25%左右，主要包括膠原蛋白、多糖和脂類；另外還有9%左右的水及粘連質(zhì)等[1?3]。具有特定的生物或生理功能的生物陶瓷材料常常用于骨組織的替代和修復(fù)，羥基磷灰石是最早發(fā)展出來的一種陶瓷骨替代材料。自Hench在70年代初首先報道具有生物活性的生物玻璃(Na2O-CaO-P2O5-SiO2)以來，以SiO2-CaO-P2O5為主要成分的生物玻璃在生物陶瓷材料領(lǐng)域成為研究熱點。目前生物玻璃的制備方法主要有熔融法和溶膠?凝膠法，與傳統(tǒng)熔融法相比，溶膠?凝膠法制備的生物玻璃具有材料顆粒小、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性好的優(yōu)點。

人體骨組織中還存在Sr、Zn、Mg、Si等微量元素，它們對骨細胞的增殖、骨礦化和提高骨強度等發(fā)揮著重要的作用[4?5]，因此，將Sr、Zn、Mg等微量元素引入生物陶瓷材料中以增強其物理和生物學(xué)性能，成為目前主要的研究方向。BALAMURUGAN[6]和OKI[7]等分別將Mg2+和Zn2+引入生物玻璃中，研究了CaO-ZnO-SiO2-P2O5和CaO-MgO-SiO2-P2O5兩種生物玻璃體系的生物學(xué)性能。杜瑞等采用質(zhì)量分數(shù)為0.5%的氧化鎂和0.5%的氧化鋅以取代58S生物玻璃中的氧化鈣，模擬體液浸泡試驗表明,摻鎂和摻鋅的生物玻璃可降低羥基磷灰石的早期成核速度[8]。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)[9]，鍶作為人體重要微量元素，具有促進成骨細胞生長和抑制破骨的作用，Sr元素摻雜改性生物材料的研究已見諸于不少文獻，但是文獻中對鍶改性生物玻璃的生物活性研究存在矛盾的報道。比如TOWLER等[10]研究熔融法制備的SrO-CaO-ZnO-SiO2體系生物玻璃后指出，該體系不能在模擬體液SBF中誘導(dǎo)形成磷灰石層[10]，而SHAHRABI等[11]指出溶膠?凝膠法制備的SrO-CaO-SiO2生物玻璃對磷灰石的形成有促進作用。HESARAKI等[12]對摩爾分數(shù)高達10%的SrO取代CaO的CaO-SrO-SiO2-P2O5生物玻璃體系研究發(fā)現(xiàn)，鍶摻雜能夠滯遲磷灰石的形成；并且磷灰石晶體的數(shù)量隨鍶含量的增加而減少。該文作者同時指出模擬體液中的Ca2+濃度隨鍶含量增加而增加，但此結(jié)果無法解釋高含量鍶對磷灰石形成的抑制作用。

鍶改性生物玻璃形成磷灰石的生物礦化能力與其自身的組成成分和結(jié)構(gòu)以及溶解速率和溶解釋放的離子濃度相關(guān)，以CaO-SiO2-P2O5為基礎(chǔ)的58S生物玻璃是最常見的生物活性陶瓷材料，因此本實驗采用溶膠?凝膠法制備以2%、5%和8%(質(zhì)量分數(shù))的SrO取代CaO的鍶改性生物玻璃(CaO-SrO-SiO2-P2O5)并研究其溶解和生物礦化行為。

1 實驗

1.1 樣品制備

以58S生物玻璃為基礎(chǔ)，分別摻入2%、5%和8%(質(zhì)量分數(shù))的SrO取代58S生物玻璃中的氧化鈣,不同樣品成分組成如表1所列。本文采用溶膠?凝膠法制備生物玻璃，將正硅酸乙酯(TEOS)溶于無水乙醇中制成0.8 mol/L的溶液，按TEOS:H2O=1:8的比例加入去離子水，用2N HNO3作為催化劑將pH調(diào)至2～4，室溫下攪拌1h，再依次加入磷酸三乙酯(TEP)、硝酸鈣Ca(NO3)2、硝酸鍶Sr(NO3)2攪拌水解各1 h得到溶膠，溶膠在70℃下陳化3天得到凝膠。將凝膠干燥成粉末，然后經(jīng)過700℃煅燒以除去殘留的結(jié)晶水和硝酸根得到玻璃粉。最后，將玻璃粉以5%質(zhì)量分數(shù)的聚乙二醇作為粘結(jié)劑，在20 MPa壓力下壓制成直徑為14 mm，厚5 mm的片狀樣品再將樣品經(jīng)700℃煅燒后備用。采用同樣的方法制備純生物玻璃作為對比樣。

表1 不同樣品中各成分的含量Table 1 Contents of samples(mass fraction,%)

1.2 樣品的表征

采用X射線衍射儀(RIGAKU，D/MAX-2550型，Cu Ka射線，步長0.02°，掃描速度8(°)/min，管電壓和管電流分別為40 kW和250 mA)檢測粉末的相組成；采用Nova nanoSEM-230型掃描電鏡(SEM)進行微觀形貌觀察，用Rontec型能譜分析儀(EDS)測定樣品的元素含量。

將三羥甲基氨基甲烷(Tris(hydroxymethyl)aminomethane)配制成0.05 mol/L溶液，用1.00 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)其pH值至7.25，簡稱Tris緩沖液[13]。按照樣品表面積與溶液體積比為1 cm2：20 mL[14],將樣品浸泡在Tris緩沖溶液中，在36.8℃恒溫10天觀測pH值變化。按同樣的樣品表面積與溶液體積比另將樣品浸泡于Hank’s模擬體液[15?16](Simulated body fluid，簡稱SBF。NaCl 8.0 g/L、KCl 0.4 g/L、CaCl20.14 g/L、NaHCO30.35 g/L、D-C6H12O60.35 g/L、Mg SO4·7H2O 0.2 g/L、KH2PO40.1g/L、Na2HPO4·12H2O 0.06 g/L)中，每天更換模擬體液，觀測溶液的pH變化及樣品的質(zhì)量變化。用等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES，JOBYVON 70 plus)檢測分析Tris緩沖溶液中的Ca2+、Sr2+和PO43?離子的濃度，以此表征樣品的溶解速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 DSC熱質(zhì)量曲線

采用熱質(zhì)量分析考察鍶改性生物玻璃從室溫到800℃的熱質(zhì)量曲線，以確定生物玻璃的燒結(jié)溫度。圖1所示是含5%SrO生物玻璃的DSC曲線，從圖1可見，生物玻璃在145℃左右出現(xiàn)顯著的吸熱峰，同時伴隨凝膠大量質(zhì)量損耗，這是因為凝膠內(nèi)包裹了大量的溶劑和水，由干燥過程中殘余的水分蒸發(fā)和結(jié)晶水分離產(chǎn)生;在306℃左右出現(xiàn)一個明顯的放熱峰并伴隨凝膠質(zhì)量損耗，推測是由于粉末中殘存有機物的分解和燃燒所致。547℃和620℃出現(xiàn)的吸熱峰和伴隨的質(zhì)量損耗是由于硝酸鹽的分解。從熱質(zhì)量曲線可以看出，700℃以后樣品質(zhì)量損耗趨于平緩，說明凝膠結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化，樣品中已經(jīng)不殘存任何可分解物質(zhì)，而據(jù)報道[17]CaO-SiO2-P2O5系生物玻璃的結(jié)晶溫度為800℃左右，所以本實驗采用700℃作為煅燒溫度。

圖1 樣品粉末的DSC-TG圖Fig.1 DSC-TG curves of powder samples

2.2 XRD物相分析

溶膠?凝膠法制備的純生物玻璃和不同鍶含量改性生物玻璃粉末經(jīng)700℃煅燒后的XRD物相分析結(jié)果如圖2所示，由圖可見，經(jīng)700℃煅燒的所有生物玻璃樣品均沒有明顯的衍射峰出現(xiàn)，表現(xiàn)為非晶玻璃態(tài)，說明鍶摻雜改性并沒有改變生物玻璃的微觀組織結(jié)構(gòu)。

2.3 含鍶生物玻璃的溶解行為和生物礦化

2.3.1 Tris溶液浸泡

用Tris緩沖液作為浸泡液來表征生物玻璃的溶解性能。Tris緩沖液能模擬人體生理環(huán)境的pH值，并且只存在H+一種陽離子和Cl?一種陰離子，不含有Ca2+、Sr2+、PO43-等其它離子，能夠避免其他離子化學(xué)反應(yīng)的影響，因此，浸泡實驗結(jié)束后，Tris緩沖液中出現(xiàn)的其他離子都是來自生物玻璃的溶解，分析溶出離子的累積濃度，即可用于表征生物玻璃的溶解速率。

圖2 樣品粉末經(jīng)700℃煅燒后的XRD衍射譜Fig.2 XRD patterns of different powder samples calcinated at 700℃

浸泡10天后的Tris溶液中Ca、Sr、P和Si等元素的濃度采用ICP測量的結(jié)果如圖3所示。溶液中各元素的含量分析表明Ca2+的溶出量最大，并隨生物玻璃中Sr含量增加而減小，其它各元素的溶出量均遠小于Ca，其中Si元素的溶出幾乎不受Sr含量的影響，而Sr元素的溶出量隨生物玻璃中鍶含量的增加略有增加，此外，P元素的溶出量最少。這一溶解結(jié)果表明鍶的摻雜改性會顯著影響生物玻璃的溶解性，并且隨鍶含量增加，生物玻璃的溶解速率逐步下降。這主要跟Sr的原子半徑和生物玻璃的結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于Sr原子半徑較大，可能會阻止其他離子的釋放，從而降低材料的溶解性能[18]。因此，鍶改性生物玻璃在Tris溶液中的溶解行為隨Sr元素含量增加，溶解性降低，這一結(jié)論與Hesaraki等在模擬體液中所發(fā)現(xiàn)的Ca2+濃度隨鍶含量增加而增加的結(jié)果相反。

圖3 Tris溶液中浸泡10天后不同樣品各元素的溶解量Fig.3 Dissolution amount of samples in Tris solution after soaking for 10 days

各生物玻璃在Tris溶液浸泡過程中的pH值變化如圖4所示。生物玻璃浸泡于Tris溶液中，首先在其表面發(fā)生析堿反應(yīng)，即表層的堿土離子如Ca2+、Sr2+等在溶液中大量溶出，并與溶液中的H+及H3O+發(fā)生離子交換，如式(1)所示。因此，pH值隨0H?濃度升高而迅速增大。從圖4可以看出純生物玻璃的pH變化最快，隨鍶含量增加，pH變化逐漸變慢。pH值的變化反映了生物玻璃的溶解快慢，其變化趨勢與溶液中各溶出元素的含量分析結(jié)果一致。

各生物玻璃在Tris溶液中浸泡10天后，用XRD分析表面物相的結(jié)果如圖5所示。圖5表明各生物玻璃樣品的表面都有碳酸鈣微晶析出。Tris溶液中并沒有碳酸根成分，碳酸鈣沉積物的析出可能是空氣中的CO2溶解于Tris溶液生成的CO32?離子與生物玻璃樣品中大量溶解釋放的Ca2+反應(yīng)而成。

圖4 不同樣品在Tris溶液中浸泡的pH變化Fig.4 pH values of different samples soaking in various time periods

圖5 Tris溶液浸泡10天后的生物玻璃XRD圖Fig.5 XRD patterns of bioglass samples after soaking in Tris solution for 10 days

圖6所示為純生物玻璃和不同鍶含量生物玻璃在Tris溶液中浸泡前和浸泡10天后的SEM顯微形貌，從各插入圖可見，所有生物玻璃樣品浸泡前的表面都有裂紋而且粗糙，浸泡后表面裂縫大部分消失，并且純生物玻璃和2%、5%SrO含量的生物玻璃樣品的表面均出現(xiàn)了一層片狀沉積物，圖5的XRD分析結(jié)果指出，這些沉積物的主要成分是碳酸鈣，由此推斷，生物玻璃樣品在浸泡過程中有一個溶解-再沉積的過程，浸泡初期，通過溶解釋放出Ca、Sr元素，圖3的溶解結(jié)果指出Ca元素的溶解最快，因此，當(dāng)Ca2+達到一定濃度時，便會與溶液中溶解的CO32-離子結(jié)合形成沉淀析出，覆蓋于樣品表面并填補表面空隙。而與此相對照的是含8%SrO的生物玻璃在浸泡后表面沉積物不明顯，但表面劃痕消失并趨于平整，說明在浸泡過程中溶解-再沉積的過程較為緩慢，即高鍶含量的生物玻璃具有較慢的溶解速率，SEM顯微形貌結(jié)果與浸泡后Tris緩沖液中測得的各離子濃度表征的生物玻璃的溶解性結(jié)果一致。

2.3.2 SBF模擬體液中的生物礦化

圖7為各生物玻璃樣品在模擬體液浸泡過程中的pH隨浸泡時間變化曲線，浸泡過程中保持每天更換新鮮模擬體液，故用ΔpH來表示樣品的pH變化。由圖可知在浸泡的前4天溶液體系的pH值變化很快，說明生物玻璃處于快速溶解狀態(tài)，4天后pH變化趨于穩(wěn)定，這可能是由于溶解?再沉積產(chǎn)生的大量羥基磷灰石覆蓋在生物玻璃樣品表面，阻礙了樣品表面與模擬體液的進一步接觸或者減緩了樣品中各溶解離子向體相溶液的遷移速度，使溶解速度大大降低。圖8為各生物玻璃樣品在SBF溶液中浸泡后的質(zhì)量損耗結(jié)果，從圖中可以看出，純生物玻璃表現(xiàn)出最大的質(zhì)量損耗量，少量鍶改性2%SrO含量的生物玻璃的質(zhì)量損耗與之接近，而隨SrO含量增加，生物玻璃的質(zhì)量損耗量進一步減少，說明純生物玻璃表現(xiàn)出最快的溶解速率，鍶元素摻雜能夠有效抑制生物玻璃的溶解，并且隨鍶含量增加，生物玻璃的溶解速率明顯變慢。這一變化趨勢與Tris溶液中浸泡的結(jié)果一致。

圖6 不同生物玻璃樣品在Tris溶液中浸泡前(插入圖)與浸泡10天后的SEM圖Fig.6 SEM images of different bioglass samples before(inset image)and after soaking in Tris solution for 10 days

圖7 不同生物玻璃樣品在模擬體液(SBF)中浸泡時pH值(ΔpH)隨時間變化的曲線Fig.7 Variation of pH for different bioglasses after soaking in SBF for different days

圖8 不同生物玻璃樣品在SBF溶液中浸泡7天后的質(zhì)量損耗Fig.8 Mass loss of different bioglass(BG)samples after soaking in SBF for 7 days

圖9 樣品浸泡模擬體液后的SEM圖Fig.9 SEM images of bioglass samples after soaking in SBF for 7 days

圖10 不同樣品經(jīng)過模擬體液浸泡后表面的XRD譜Fig.10 XRD patterns of different bioglass samples after soaking in SBF for 7 days

圖9 為各生物玻璃樣品在模擬體液中浸泡7天后的SEM微觀形貌圖，從圖中可以看出生物玻璃樣品經(jīng)浸泡后其表面都覆蓋了一層沉積物，高倍下觀察，這些沉積物成顆粒狀堆積。EDS結(jié)果指出，沉積物富含Ca、P、Sr和O元素，其中(Ca+Sr)/P化學(xué)計量比約為1.65左右，非常接近于羥基磷灰石中Ca/P=1.67的化學(xué)計量比。將浸泡后樣品表面進行XRD物相分析(圖10)，出現(xiàn)了明顯的羥基磷灰石特征衍射峰(PDF#09-0432，羥基磷灰石標(biāo)準(zhǔn)譜)，且峰的位置和強度都與標(biāo)準(zhǔn)衍射峰一一對應(yīng)，不存在其它雜相，證明這些沉積物是生物礦化產(chǎn)生的羥基磷灰石。此外，通過EDS對沉積物進行成分分析時發(fā)現(xiàn)，沉積物中未發(fā)現(xiàn)玻璃成分中的Si元素，這可能是因為Si元素的溶解量很小(如前面Tris溶液中的溶解結(jié)果證實)，溶出的Si元素濃度不足以參與磷灰石的形成。EDS分析還發(fā)現(xiàn)沉積物中有Sr元素，證明Sr元素參與了羥基磷灰石的形成，并且隨生物玻璃樣品中Sr含量增加沉積物中Sr含量逐漸增加。此外，從高倍SEM圖可以看出，隨Sr含量增加，沉積出的羥基磷灰石顆粒逐漸變大并呈不規(guī)則形貌，XRD結(jié)果也顯示，隨Sr含量增加，羥基磷灰石衍射峰峰形變寬，強度變?nèi)酰砻髌漕w粒變粗，結(jié)晶性變?nèi)?，由此可以推斷出Sr元素的加入不僅減緩了生物玻璃的溶解速率，同時還影響羥基磷灰石生物礦化的形成，并弱化其結(jié)晶性。人體自然骨中的磷灰石無機相均為弱結(jié)晶物[19]，因此鍶改性生物玻璃不僅可以通過Sr元素的摻雜，調(diào)控生物玻璃的溶解速度，改善其作為植入體材料使用的穩(wěn)定性，而且可進一步提高其生物活性。

3 結(jié)論

1)用鍶部分取代鈣制成的鍶改性生物玻璃具有可以調(diào)控的溶解速率，鍶的加入可以抑制生物玻璃的溶解，隨鍶含量增加其溶解速率進一步降低，主要原因為鍶原子半徑較大，阻礙了其他離子的溶解。

2)鍶改性生物玻璃具有良好的生物活性，在模擬體液中，鍶元素參與生物玻璃的生物礦化，并且隨鍶元素含量增加，羥基磷灰石的結(jié)晶性減弱。

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