SrO改性SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃的制備及體外生物活性研究

殷海榮， 楊 晨， 郭宏偉， 童 強(qiáng)， 高 楊， 李明陽

(陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和飲食結(jié)構(gòu)的改變，骨缺損成為生活中的常見病和多發(fā)病，它使患者遭受身心痛苦，甚至導(dǎo)致殘疾[1].目前，關(guān)于骨缺損修復(fù)的研究方向主要集中在骨缺損修復(fù)材料的選擇上[2].從修復(fù)質(zhì)量、免疫排斥和疾病傳播等多方面來衡量，自體骨都是最佳的選擇.但由于供骨量有限，取骨又會(huì)造成二次手術(shù)的創(chuàng)傷，因此它的臨床應(yīng)用受到了很大的限制[3].通過開發(fā)新的骨修復(fù)材料幫助患者修復(fù)受損的骨骼是生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)界多年來一直在探索并試圖解決的重要問題[4].骨的仿生制備來源于骨組織工程，選擇合適的支架材料是骨組織工程所要解決的關(guān)鍵問題[5].

生物活性玻璃是20世紀(jì)70年代初由美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)Larry L Hench教授等人發(fā)明的可降解生物材料，他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)將組分為SiO2-Na2O3-CaO-P2O5的玻璃材料植入生物體內(nèi)后，玻璃材料中的組分可以同生物體內(nèi)的組分互相交換或者反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵結(jié)合，最終生成與生物體本身相容的物質(zhì)，構(gòu)成新生骨骼的一部分[6].越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，來自無機(jī)材料的離子溶解是改善這些材料性能的關(guān)鍵[7-9].硼普遍存在于蔬果中，是維持骨的健康和鈣、磷、鎂正常代謝所需要的微量元素之一.以硼為基礎(chǔ)的生物玻璃與硅酸鹽生物玻璃相比，有更好的可塑性和生物降解性.然而硼離子的快速釋放可能會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性是必須考慮的問題之一[10].

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)玻璃結(jié)構(gòu)的“混合堿效應(yīng)”，玻璃中鍶和硼的協(xié)同作用可以改善某些離子的釋放速率[11]，因此本文在SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃配方的基礎(chǔ)上，添加0～9 mol%的SrO，采用聚合物泡沫模板法制備生物玻璃支架材料，并探究其體外生物活性，以提高SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃的應(yīng)用范圍.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

本文所用的SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃配方如表1中的S0所示，在此配方的基礎(chǔ)上添加0～9 mol %的SrO分別記做S1、S2、S3.

表1 SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃組成(mol%)

本實(shí)驗(yàn)所用的原料均為分析純，根據(jù)表1的組成，準(zhǔn)確稱取原料并進(jìn)行混合，在1 200 ℃下將混合好的配合料加入鉑金坩堝中，保溫3 h后，把融化好的玻璃液澆入去離子水中，得到1～2 mm大小的玻璃顆粒.將得到的玻璃顆粒烘干，然后放入球磨罐中，以乙醇作為溶劑，氧化鋯球石作為研磨介質(zhì)球磨5 h，得到直徑在1μm左右的玻璃粉體.

本文采用聚合物泡沫模板法制備生物玻璃支架[12].將研磨好的玻璃粉體按照體積比2∶3的比例加入到乙醇中，再加入玻璃粉體質(zhì)量5%的羧甲基纖維素作為懸浮劑，在磁力攪拌器下攪拌至均勻的漿體.把切割成1 cm×1 cm×1 cm的聚氨酯泡沫浸入漿體中，并反復(fù)按壓幾次，直至聚氨酯泡沫完全被漿體浸潤(rùn).接著將其在室溫下放置6 h充分干燥，把干燥好的聚氨酯泡沫放在馬弗爐里進(jìn)行燒結(jié)，即得到生物玻璃支架材料.

1.2 測(cè)試與表征

采用德國(guó)NETZSCH STA449 F3型熱分析儀，進(jìn)行差示掃描熱分析(DSC)，溫度范圍為30 ℃～900 ℃，升溫速率5 ℃/min；采用HITACH FE-SEM S4800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)及表面形貌；樣品的氣孔率采用阿基米德法測(cè)定，樣品的抗彎強(qiáng)度采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定；采用德國(guó)Bruker VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)對(duì)樣品結(jié)構(gòu)分析；將樣品在模擬體液(SBF)中浸泡不同的天數(shù)，然后測(cè)定其晶相、微觀形貌以及Ca離子和B離子的溶出速率來表征其體外生物活性；其中樣品的晶相結(jié)構(gòu)采用D/max 2200PC型X射線衍射儀(XRD)分析，Cu Kα1特征X射線，2θ范圍為10 °～70 °；離子溶出速率采用美國(guó)THEM公司的電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)來測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 差熱分析

圖1為玻璃粉體的DSC曲線圖.從圖1可以看出，DSC曲線上有明顯的吸熱峰和放熱峰，100 ℃附近出現(xiàn)微小的吸熱峰，這是由于玻璃中的吸附水蒸發(fā)造成的.而DSC曲線在500 ℃左右出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，基線向吸熱方向移動(dòng)，所以玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)為500 ℃.592 ℃和742 ℃為玻璃的析晶起始溫度，709 ℃和790 ℃為玻璃的析晶峰值溫度.而生物玻璃支架的制備只需要將玻璃粉體燒結(jié)達(dá)到致密化，所以燒結(jié)溫度范圍為500 ℃～592 ℃[13].根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)，以530 ℃作為生物玻璃燒結(jié)溫度，其燒結(jié)制度為：2 ℃/min從室溫緩慢升溫到400 ℃，使聚氨酯泡沫充分分解(聚氨酯泡沫的分解溫度為300 ℃).以5 ℃/min從400 ℃升溫到530 ℃并保溫2 h，使生物玻璃充分燒結(jié)并致密化.

圖1 玻璃粉體的DSC曲線圖

2.2 生物玻璃形貌分析

S2樣品的掃描電鏡照片如圖2所示.從圖2(a)可以看出，聚氨酯泡沫是具有規(guī)則空隙的多孔材料，其形貌和人體松質(zhì)骨非常接近，孔徑大小在300～500μm之間.圖2(b)為500μm下S2樣品的掃描電鏡圖，其形貌和聚氨酯泡沫相似，孔隙規(guī)則，連通性很好，孔徑大小在300～500μm之間.圖2(c)為在100μm下S2樣品表面的微觀形貌，其表面光滑平整.圖2(d)為S2樣品在37 ℃的SBF溶液中浸泡一周之后的微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)在S2樣品的表面出現(xiàn)大量的顆粒狀的晶體，通過后期XRD測(cè)試，該種晶體為羥基磷灰石(HA).HA為人體骨骼的重要組分，生物玻璃在人體內(nèi)轉(zhuǎn)化為HA的能力是其生物活性的重要標(biāo)志，所以SrO摻雜的SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃支架具有良好的生物活性.

(a)聚氨酯泡沫 (b)、(c)未經(jīng)處理的S2樣品 (d)S2樣品在37 ℃的SBF溶液中浸泡一周圖2 樣品的掃描照片

人體松質(zhì)骨的氣孔率在60%～90%，抗壓強(qiáng)度在2～12 MPa.較高的氣孔率有助于細(xì)胞的粘附和增殖，但是在提高氣孔率的同時(shí)往往會(huì)降低生物玻璃材料的抗壓強(qiáng)度.好的生物玻璃支架材料在滿足氣孔率的同時(shí)也應(yīng)該具有足夠的抗壓強(qiáng)度，因?yàn)檫@樣才能保證新生骨在取代支架材料時(shí)其可以保持基本結(jié)構(gòu)不改變.

不同SrO含量的SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃樣品的氣孔率和抗壓強(qiáng)度如表2所示.從表2可以看出，所制備的生物玻璃樣品氣孔率在85%左右，抗壓強(qiáng)度均大于11 MPa.隨著SrO取代CaO的增加，生物玻璃支架的氣孔率無明顯變化趨勢(shì)，而抗壓強(qiáng)度略微增大.所以采用聚合物泡沫模板法制備的生物玻璃可以滿足骨組織工程支架材料的要求.

表2 不同SrO含量生物玻璃的氣孔率和抗壓強(qiáng)度

2.3 生物玻璃的紅外光譜分析

不同SrO摻雜SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃支架的傅里葉紅外光譜如圖3所示.從圖3可以發(fā)現(xiàn)，樣品在1 065 cm-1和479 cm-1均出現(xiàn)明顯的吸收峰，這兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)的分別為P-O-Si鍵的伸縮震動(dòng)和Si-O鍵的彎曲震動(dòng).而570 cm-1出現(xiàn)的吸收峰是由于[PO4]中P-O的彎曲震動(dòng)所產(chǎn)生的.在720 cm-1和1 430 cm-1出現(xiàn)的吸收峰分別與B-O鍵和C-O的伸縮震動(dòng)有關(guān).

圖3 不同SrO含量SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物玻璃樣品的紅外光譜圖

通過S0和S1、S2、S3樣品的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1 050～1 100 cm-1范圍內(nèi)Si-O的特征峰在逐漸減弱，當(dāng)Sr添加量達(dá)到9 mol%時(shí)，1 065 cm-1處的特征峰分成了1 088 cm-1和986 cm-1兩個(gè)部分.這可能是由于Sr與Ca相比其原子半徑較大(Sr原子半徑為1.16 ?，Ca原子半徑為1.00 ?)，隨著玻璃支架中Sr替換Ca，使得玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變大，破壞了部分Si-O鍵[14].而1 430 cm-1和720 cm-1波長(zhǎng)處的C-O鍵和B-O鍵的強(qiáng)度卻沒有發(fā)生明顯變化.

2.4 生物玻璃的體外生物活性

生物玻璃的體外生物活性是指在人體液中表面發(fā)生一系列反應(yīng)，最后在表面形成一層與人體骨骼無機(jī)相相似的羥基磷灰石(HA)并與人體硬或軟組織如膠原蛋白和細(xì)胞緊密聯(lián)結(jié)的能力.生物玻璃中的離子溶出速率與其和細(xì)胞鍵和的能力密切相關(guān)[15].通過在SBF溶液中浸泡可以檢測(cè)材料的體外生物活性，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)這樣獲得的體外生物活性和體內(nèi)生物活性有著密切的關(guān)聯(lián).

未經(jīng)處理的S2樣品以及S2樣品在SBF溶液中浸泡一周之后的XRD圖譜如圖4所示.從圖4可以看出，未經(jīng)處理的樣品為非晶態(tài)材料，其XRD圖譜無明顯的衍射峰.當(dāng)樣品在37 ℃的SBF溶液中浸泡一周之后，樣品的XRD圖譜出現(xiàn)明顯的衍射峰，對(duì)比PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片，析出晶體為HA，表明其生物活性較好.

圖4 未經(jīng)處理的S2樣品以及其在SBF溶液中浸泡一周之后的XRD圖譜

將不同SrO含量的生物玻璃樣品在37 ℃的SBF溶液中分別浸泡1、3、8、15、20天，溶液中Ca離子的濃度隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖5所示.從圖5可以看出，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，Ca離子濃度在不斷增大，而在第15天開始Ca離子濃度開始趨于穩(wěn)定.且隨著SrO含量的增加，同一時(shí)間點(diǎn)Ca離子濃度也在逐漸增大.生物玻璃中Ca離子釋放速率與HA的形成速率有關(guān)，這也表明SrO摻雜可以促進(jìn)SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃HA形成，提高其生物活性[16].

生物玻璃樣品在SBF溶液中隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，B離子的濃度變化曲線如圖6所示.從圖6可以看出，B離子濃度的變化趨勢(shì)和Ca離子濃度的變化趨勢(shì)一致：在前8天B離子濃度在逐漸增大，8～15天之間增長(zhǎng)變得緩慢，并在15天以后趨于穩(wěn)定.而同一時(shí)間點(diǎn)，B離子濃度隨著SrO含量的增加在逐漸減小.Fu等[17]發(fā)現(xiàn)B離子濃度大于0.65 mm時(shí)會(huì)抑制細(xì)胞的增殖.從圖6可以看出，在第20天時(shí)S0樣品中B離子濃度接近700 ppm，而加入SrO后B離子濃度在逐漸降低，當(dāng)Sr添加量達(dá)到6 mol%時(shí)，B離子濃度在20天時(shí)穩(wěn)定在450 ppm.所以SrO摻雜SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃能夠在一定程度抑制B離子的快速釋放，提高其生物活性.

圖5 不同SrO含量樣品在SBF溶液中Ca離子濃度變化曲線

圖6 不同SrO含量樣品在SBF溶液中B離子濃度變化曲線

3 結(jié)論

(1)采用聚合物泡沫模板法制備了SiO2-B2O3-CaO-P2O5系生物玻璃，并添加0～9 mol%的SrO，該體系生物玻璃的燒結(jié)溫度在530 ℃，氣孔率在85%左右，抗壓強(qiáng)度在12 MPa左右.

(2)隨著SrO含量的增加，玻璃結(jié)構(gòu)中Si-O鍵在逐漸減弱，而C-O鍵和B-O鍵的強(qiáng)度無明顯變化.

(3)在SBF溶液中隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)Ca離子和B離子的釋放濃度均先增加后趨于穩(wěn)定，隨著SrO含量增加，同一時(shí)間點(diǎn)Ca離子的濃度在逐漸增大，而B離子濃度在逐漸減小，其生物活性變好.

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