具有可控降解性能的生物活性玻璃的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及具有可控降解性能的生物活性玻璃及其制备方法，属于生物材料领域。采用高温熔融法制备新型生物活性玻璃，该类玻璃不仅具有良好的生物相容性和生物活性，与现有生物玻璃最根本的不同之处在于该类玻璃在生理模拟液或相应的含磷溶液中，能逐渐被溶解，即具有完全生物降解性能，其降解速率可由玻璃的成分来控制。且玻璃的降解产物是纳米碳酸羟基磷灰石，与人体骨的无机矿物成分相同。此类玻璃的生物活性和生物降解性能已融为一体，两种性能相辅相成。该材料从根本上克服了现有生物玻璃的不足，在软骨和硬骨组织缺损的修复方面具有明显的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物材料领域，涉及可控降解性能的生物活性玻璃及其制备方 法。所提及的玻璃不仅具有生物相容性，而且在人体组织液的作用下，能够形 成碳酸羟基磷灰石，显示出良好的生物活性。在形成人体骨无机矿物组成的过 程中，玻璃本身被逐渐溶解掉，因此该玻璃还具有完全生物降解性，且其降解 速度可通过玻璃组成的调整加以控制。生物材料在骨组织工程中的作用是提供一种多孔材料作为组织再生的构 架，将体外培养的细胞种植其上，并回植入体内，引导所需骨组织的不断生长， 同时构架材料逐渐消失，最终在原构架区域内形成和再生出完全有生命的骨组 织，实现骨缺损部位的永久修复。随着研究的不断深入，对骨组织工程支架材料提出了更高的要求首先要求制备支架的材料必须具有良好的生物相容性，要求不仅对人体无毒、无溶血作用、无致畸、致突变作用，还应有利于种子细 胞的黏附、增殖和分化。此外，要求材料具有良好的生物活性、骨诱导性及骨 传导性。最为重要的是，由该材料制备的支架应在体内生理环境中逐步降解， 降解产物对细胞无毒害作用，不引起炎症反应，且降解速率应与组织细胞的生 长速率相匹配。近年来，制备骨组织工程支架的材料研究引起了人们的广泛关 注，所用材料主要包括有机高分子材料和无机生物材料。其中高分子材料又包括PLA、 PGA及其共聚物等，这类材料具有良好可降解吸收性，但存在一些固 有的不足，如表面亲水性差、生物相容性和机械强度尚待改进、体内降解过程 中易造成局部酸性产物的蓄积，且在降解过程中力学强度损失过快，不能在骨 组织修复期间充分起到支架作用。为了克服有机高分子材料的不足，人们采用 无机材料或有机一无机复合材料作为骨组织工程支架材料，如美国专利 USP7022522 、 USP20050249772 等，中国专禾lj CN200410016780.5 、 CN03142161.X、 CN03113338.X等均公开了用于骨缺损修复的组织工程材料及 其结构和制备方法。在这些材料中，主要的无机成分为羟基磷灰石、硅酸钙等， 此类材料具有良好的生物相容性和一定的生物活性，能与骨组织形成骨性结合， 但它们在人体组织液中都不能完全降解，最终将作为异物残留在生物体内。因 此从组织工程支架材料严格要求的角度来看，这些材料的生物降解性能都存在 一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术旨在为骨组织工程提供一种新型的可完全降解且降解速率可调的生 物活性玻璃，以克服现有制备支架的材料所固有的不足之处。 为达到上述目的，本专利技术的解决方案是一类具有可控降解性能的生物活性玻璃及其制备方法，将各种分析纯原料混合，经高温熔制后，淬冷成含钙的生物活性玻璃，该玻璃不仅具有良好的生 物相容性和生物活性，且其在生理模拟液中能逐渐降解，并在玻璃表面原位生 成纳米碳酸羟基磷灰石，其在生理模拟液中的降解速率可通过对玻璃组分的调 整加以控制。其中(l)所说的分析纯原料指制备生物活性玻璃的原料H3B04、 Na2HP04、 Si02及各种碳酸盐或氧化物；(2)所说的含钙的生物活性玻璃是指以B203或P205为玻璃网络主体或兼含Si02的含钙玻璃；(3)所说的生理模拟液是 指含有(P04广以及各种磷酸酸式盐的用于生物实验，类似于人体组织液的各种液体。进一步，玻璃网络构成体，可以分别是B203或P20s，也可以是以8203或 P20s为主，兼含Si02或其它网络氧化物为次所构成，在玻璃的组成中，这些网络氧化物的总分子量为30~90mol%。玻璃的网络间隙离子为一价碱金属离子、二价碱土金属离子、三价或四价 的过渡金属离子或稀土金属离子。在玻璃的组成中，网络间隙离子氧化物的总 分子量为5~80mol°/。。在玻璃的组成中，CaO的分子含量为5~60mol%。磷元素在溶液中的质量比<5%，也包括质量比等于零的无磷溶液(例如生理 盐水)，在与含P20s玻璃反应过程中，玻璃中的？205溶解到溶液中，形成次生 的含磷溶液。玻璃制备温度在900 135(TC之间，熔制时间为0.5~4小时。 通过调整玻璃的成分对该类玻璃的降解性能进行控制。 用该玻璃材料可以制备骨组织工程中细胞生长的支架，用于骨修复和再生 领域中。按照所设计的生物活性玻璃的氧化物组成，分别以H3B03引入B203，以Na2HP04或H3P04引入P20s,和^02为原料，其余以其碳酸盐或氧化物的形式 引入，充分混合后，在铂坩埚中于900 135(TC下熔制0.5 4小时。玻璃熔体浇 注在两块不锈钢板之间进行淬冷，获得无析晶的透明生物活性玻璃，该类玻璃 是指以B203或P205为玻璃网络主体或兼含Si02的含钙玻璃。以本专利技术所提及的硼酸盐或磷酸盐或硼磷酸盐或硼硅酸盐玻璃系统，设计 玻璃的化学成分，使其在高温时能比较容易地形成玻璃，具有较大的成玻区域， 不易析晶。其次，玻璃组成中硼或磷的比例要尽可能高，以使玻璃具有较高的 化学活性；成分中必须含有钙，最好可以添加其它氧化物，以便调节玻璃的降 解性能。本专利技术的生物活性玻璃为含钙的硼酸盐或磷酸盐或硼磷酸盐或硼硅酸盐玻璃。由于此类玻璃由B203或P205或另有少量Si02构成玻璃的网络结构，其网 络结构单元为三角体(或少量四面体)，三面体(或双键断裂后 形成的)。它们在空间的连接程度有限，易于形成断键。因此具有很高的化学活性，在生理模拟液中，玻璃的空间网络逐渐溶解，随即网络的间隙离子(如Ca2+)溶出，与溶液中的pS—形成溶解度极小的钙磷化合物。在人体的pH值范 围内，此钙磷化合物又形成溶解度最小的羟基磷灰石，并与人体组织液中溶解 的C02反应，进一步在玻璃表面原位生成碳酸羟棊磷灰石。由于此溶解反应在 人体的体温下进行，与通常湿法制备羟基磷灰石的反应相比，反应温度更低， 因此实际上在玻璃表面上生成的是纳米碳酸羟基磷灰石。而与此同时，玻璃发 生了溶解，这就是该生物活性玻璃具有良好生物降解性的原因，其降解产物不 仅无毒，而且具有很好的活性，所生成的纳米碳酸羟基磷灰石是人体骨组织中 无机矿物的主要组成部分。因此，对于本专利技术的生物活性玻璃支架材料，其生 物活性与生物降解性已融为一体，两种性能相辅相成。本专利技术所提及的生物活性玻璃的溶解速率的控制，可通过改变玻璃的化学成分来实现。当玻璃中的部分B203或P205被Si02所取代，其玻璃网络结构中四面体的比例增加，增强了玻璃结构的稳定性，使其不易被人体组织液破坏，因此化学活性降低。而且此过程是连续的，随着玻璃化学组成中B203或P20s含量降低，玻璃网络被溶解的数量减少，降解速率随之降低。此外，还可以通过添加玻璃网络中间体，如MgO、 SrO、 BaO、 La203等调整玻璃的网络结构和 紧密程度，达到调节和控制降解速率的目的。本专利技术与前述专利的不同之处是以上述方法所制备的生物活性玻璃作为骨组织工程支架材料。此生物活性玻璃的网络主要构成体为B203或P205或两者兼有或兼有部分Si02，玻璃的网络间隙氧化物除必须含有CaO外，还含有其它氧 化物。这类生物活性玻璃具有比羟基磷灰石、硅酸钙等无机材料具有更高的生 物活性，更容易承载细胞，更有利于细胞的粘附、增殖和分化。在生理模拟液 中能够形成骨组织的主要无机矿物成分——碳酸羟基磷灰石，与骨组织形成骨 性结合。除此之外本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有可控降解性能的生物活性玻璃的制备方法，其特征在于：将各种分析纯原料混合，经高温熔制后，淬冷成含钙的生物活性玻璃。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文旵，王德平，周萘，姚爱华，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]