生物活性玻璃

生物活性玻璃

1生物活性玻璃 (1)

1.1有序皆空生物活性玻璃 (2)

1.2生物活性玻璃发展史 (2)

2 生物活性玻璃的制备方法 (3)

2.1 熔融烧结法 (3)

2.2 溶胶凝胶法 (4)

1971年，美国福罗里达州立大学L.L.Hench教授偶然发现，一些特殊组分的玻璃材料植入生物体内，作为骨骼或牙齿的替代物，能与骨形成紧密结合，经过一系列的动物实验，证实它具有良好的生物相容性和迅速有效的促进骨修复的特点，因此首次提出了生物活性的概念。为了区别于一般的玻璃，所以称其为生物活性玻璃。

继Hench之后，又有多种生物活性玻璃不断被开发研制出来。研究者们对生物活性玻璃进行了大量体外生物活性测试、体外细胞培养实验以及动物体内移植实验，使得人们逐渐了解了生物玻璃与人体骨组织成键联结的过程和机理。至今人们对于生物玻璃的研究已达三十多年，已成为材料学、生物化学以及分子生物学的交叉学科。目前生物玻璃在骨科、牙科、中耳科等方面有着广泛的临床应用，其前景可观。由此可见，对于生物玻璃组成、结构的进一步研究，对于材料与细胞作用机理的进一步探讨，以及积累更广泛的动物和人体实验数据，有望给人类医疗健康事业带来巨大贡献。

1生物活性玻璃

生物玻璃是一种能实现特定的生物、生理功能的玻璃。将生物玻璃植入人体骨缺损部位，它能与骨组织直接结合，起到修复骨组织、恢复其功能的作用。其主要成分有Na2O、CaO、SiO2和P2O5。由于生物材料的特殊要求，制备生物玻璃须采用高纯试剂作原料，以铂坩埚为容器，尽可能减少杂质混入。由于生物玻璃化学稳定性差，易与环境中的水分反应，因此在加工、灭菌和保存中，须保持干燥，防止变质。目前主要用溶胶凝胶制备，这样能很好的保留其生物活性。

1.1有序皆空生物活性玻璃

有序介孔生物活性玻璃（MBG）是Mesoporous Bioactive Glass的简称，是将介孔材料的合成引入到生物材料中，合成出的一种高于普通生物玻璃的比表面积和孔容，并具有可控的介孔和介观结构的新型材料。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。

1.2生物活性玻璃发展史

1971年，Hench教授等合成了一种由钠-钙-磷-硅组成的特殊玻璃，植入老鼠股骨后，并不在界面形成疤痕组织，相反它们与活体骨形成骨键结合而牢固地固定在植入处，这个发现就是我们前文中所提到的生物活性玻璃材料(bioaetiveglass，BG，简称生物玻璃)。这种玻璃不是一种常规的玻璃，其SiO2的质量百分数仅为45%，其他组分请见下图1。在组分中Na 和Ca作为玻璃网络改性剂。此外，为了有类似经基磷灰石的Ca/P组分，6%的P被加入。这就是商品化的生物玻璃Bioglass45S5，其在骨科、口腔科、整形外科得到广泛应用。80年代中生物活性玻璃作为中耳骨植体开始人体临床应用研究；90年代初作为骨修复替代材料在临床上使用;某些产品己获得美国FDA许可和欧洲CEMark认证;1999年中国亦许可其在骨科上的临床使用。

继Hench之后又有多种生物活性玻璃不断被开发研制出来。如西德Bromerx等在生物活性玻璃成分基础上，减少钾、钠含量，增加钙、磷含量，合成了塞拉维托玻璃，被广泛地应用于中耳外科手术；1982年，日本京都大学的Kukob。等研制成功A-W微晶玻璃。为满足临床使用的需要，生物材料必须被加工成一定形状，这就要求所使用的生物材料具有良好的加工性能。为此，人们设计出一种含氟磷灰石和氟金云母两种微晶相的可切削加工生物玻璃陶瓷。随着研究的进步，生物玻璃的合成有了重大突破。1991年，Hench课题组钧各溶胶凝胶技术与生物玻璃的合成技术相结合，合成了三元的生物玻璃。溶胶凝胶方法的引入，大大地拓展了生物玻璃在组成上的变化，降低了合成时焙烧温度的要求，最为关键的是使得生物玻璃由完全致密的结构转化为多孔材料。这些将在下面有详细介绍。

其后，vanet-Regi课题组对生物玻璃进行了大量的研究，包括不同组分

材料的体外生物活性，不同材料孔径与体外生物活性的关系，以及生物玻璃材料在医学上的潜在应用等。

现在，合成生物玻璃的手段随着研究的深入而得到了极大的丰富。近年来，合成大孔的生物玻璃，逐渐成了研究者们关心的另一个研究方向。由于大孔材料能有效地为附着在材料上的细胞传输营养物质，有利于其繁殖分裂，从而使其成为优良的骨组织工程支架材料。此外，复合材料也越来越引起人们的重视，生物材料由于其本身收缩大，强度低等缺点，在骨组织工程支架材料的实际应用中遇到了很多问题。最近出现了生物玻璃与生物降解性的高分子材料的复合，提高了机械性能；生物玻璃与羟基磷灰石的复合；生物玻璃与磁性粒子的复合等。

图1 生物玻璃主要组分图

总之，从Hench教授发明生物玻璃至今己经过去快四十年，生物玻璃已经在骨科，牙科，五官科等医学领域有着广泛应用，前景可观。随着研究的发展，生物玻璃的研究己经成为材料学、生物学及医学的交叉学科，成为研究热点。

2 生物活性玻璃的制备方法

目前，生物玻璃材料的制备方法可分为熔融烧结法和溶胶凝胶法两大类。

2.1 熔融烧结法

早期生物玻璃就是通过熔融烧结法合成的，其中SiO2和P2O5构成了材料的骨架，CaO和Na2O则作为玻璃网络的改性剂。将以上组分的前驱物混合之后，在1400℃高温条件下将反应原料进行熔融，然后冷却，固化，褪火得到无色透

明的生物玻璃。由于此种方法合成的生物玻璃材料经过高温处理，所以结构较为致密。

2.2 溶胶凝胶法

使用溶胶凝胶法制备生物玻璃是将实验用原料，一般是正硅酸乙酯（TEOS）、硝酸钙和磷酸三乙酯（TEP），盐酸作为催化剂，按照一定的比例依次加入烧杯中搅拌成均匀溶液。在室温下陈化使水解-缩聚反应充分进行，形成凝胶，将所得的凝胶块烘干，最后进行热处理（700℃左右），便制得生物玻璃材料。

与传统熔融烧结法制备法相比，溶胶凝胶法有很多优点，如制备条件温和简便，产品纯度更高，大大拓宽了生物玻璃的组分范围，并且将原本认为必须加的Na2O组分去除，首次获得SiO2-CaO-P2O5三组分体系的生物玻璃。材料具有较高的比表面积和孔容的孔结构，以及丰富的形貌和表面硅羟基。