本發(fā)明涉及一種生物材料，尤其是涉及了一種中空生物活性玻璃球、制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

自佛羅里達(dá)大學(xué)Hench L.L.教授首次發(fā)現(xiàn)生物活性玻璃(45S5)以來(lái)，生物活性玻璃(L.L.Hench,R.J.Splinter,J Biomed Mater Res Symp,1971(2):117-141)作為一類具有組織修復(fù)功能的特種玻璃材料備受生物醫(yī)用材料界的高度關(guān)注。這類生物玻璃具有特定的化學(xué)組成，其溶出的無(wú)機(jī)離子(如硅、磷、鈣、鈉等)具有一定的細(xì)胞和基因激活作用，能夠激活生長(zhǎng)因子表達(dá)、誘導(dǎo)骨祖細(xì)胞往成骨方向分化、促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化，進(jìn)而與骨組織形成牢固的化學(xué)鍵合，具有良好的骨修復(fù)性能。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，生物活性玻璃不僅能與硬組織(如骨、牙組織)形成化學(xué)鍵合，還能與軟組織結(jié)合，促進(jìn)皮膚的再生?，F(xiàn)有上市的臨床用生物玻璃相關(guān)產(chǎn)品有如Novabone^TM、DermGlas^TM等。

微納米生物玻璃的研究興起讓人們關(guān)注到生物玻璃的合成工藝、化學(xué)組成、微觀形貌、精細(xì)結(jié)構(gòu)、尺寸效應(yīng)等對(duì)材料的理化性能有很大的影響。如顆粒的易團(tuán)聚性導(dǎo)致材料溶出的活性離子釋放量小；顆粒形貌不易控制影響材料后期活性離子溶出和對(duì)細(xì)胞介導(dǎo)作用；尺寸不可控，降低材料被組織和細(xì)胞吞噬效率，最終降低基因的負(fù)載/轉(zhuǎn)染效率以及成骨介導(dǎo)活性。由此，如何精確調(diào)控微納米生物活性玻璃的形貌、尺寸、結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步調(diào)控其比表面積及離子釋放性能是生物活性玻璃研究中迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。與不規(guī)則顆粒相比，生物玻璃微納米球材料(如中空結(jié)構(gòu)、介孔結(jié)構(gòu))具有良好的流動(dòng)性、優(yōu)異的生物活性，可作為裝載藥物、生長(zhǎng)因子及基因等輸送載體應(yīng)用于骨疾病的治療。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供了一種中空生物活性玻璃球、制備方法及其應(yīng)用。該方法以聚丙烯酸為模板劑結(jié)合溶膠—凝膠法制備獲得，操作簡(jiǎn)單易行，工藝參數(shù)易于控制。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一、一種中空生物活性玻璃球材料：

所述中空生物活性玻璃球主要組分是SiO₂、P₂O₅和CaO，組分SiO₂：P₂O₅：CaO的摩爾比分別為(58～90)：(4～5):(5～37)。

所述中空生物活性玻璃球表面微觀形貌為單分散的中空球形，表面無(wú)塌陷，粒徑可調(diào)，分布在50～300納米。

本發(fā)明所述的微納米生物活性玻璃為硅磷鈣基礎(chǔ)上的三元組分可調(diào)的玻璃材料，微觀形貌為中空球狀，尺寸均勻、結(jié)構(gòu)可控，分散性良好，具有良好的生物活性、生物降解性和生物相容性。

二、一種中空生物活性玻璃球的制備方法：

(1)前驅(qū)體的制備：常溫條件下將聚丙烯酸作為軟模板劑溶于足量的無(wú)水乙醇中，再用氨水中調(diào)節(jié)pH，攪拌6～10小時(shí)至澄清，后將硅源、磷源、鈣源的三種生物玻璃組分按一定的摩爾比加入上述溶液中持續(xù)攪拌36～72小時(shí)，形成白色溶膠；

(2)模板劑的去除：將上述步驟(1)反應(yīng)后的白色溶膠離心，然后依次用無(wú)水乙醇和去離子水洗滌后，80℃烘干，獲得白色粉末；

(3)將白色粉末置于馬氟爐中于500～550℃溫度下煅燒5～12小時(shí)，即得中空生物活性玻璃球。

通過(guò)采用不同分子量的聚丙烯酸或者不同的聚丙烯酸和硅源的質(zhì)量比來(lái)調(diào)控所述中空生物活性玻璃球的表面宏觀形態(tài)及其粒徑大小。

所述的聚丙烯酸的分子式為[C₃H₄O₂]_n，n＝27～70。

所述的聚丙烯酸和硅源的質(zhì)量比為(1:4～1:18)。根據(jù)模板劑和硅源的質(zhì)量比來(lái)調(diào)控所得中空生物活性玻璃球的表面形態(tài)及粒徑分布。

所述的硅源：磷源：鈣源的摩爾比為(58～90)：(4～5):(5～37)。根據(jù)硅源：鈣源：磷源的摩爾比來(lái)調(diào)節(jié)中空生物玻璃納米球的玻璃組分。

所述的硅源為正硅酸乙酯[Si(OC₂H₅)₄]、正硅酸甲酯[Si(OCH₃)₄]或正硅酸丁酯[Si(OC₄H₉)₄]。

所述的磷源為磷酸三乙酯[(C₂H₅)₃PO₄]或磷酸三甲酯[(CH₃)₃PO₄]。

所述的鈣源為鈣源為四水硝酸鈣[Ca(NO₃)₂·4H₂O]，氯化鈣[CaCl₂]或有機(jī)鈣源[Ca(OC₂H₅)₂]。

三、所述中空生物活性玻璃球在制作骨替代或修復(fù)材料、藥物緩釋可控載體以及組織工程支架材料中的應(yīng)用。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1.原料簡(jiǎn)單易得、反應(yīng)條件溫和、工藝簡(jiǎn)單易行，成本低廉。所得到的生物活性玻璃微觀形貌為中空球狀，玻璃組分可調(diào)、粒徑尺寸可控，具有良好的生物活性和生物降解性。

2.根據(jù)硅源：磷源：鈣源的不同摩爾比來(lái)獲得不同組分的中空生物玻璃納米球，玻璃組分可控。

3.通過(guò)改變聚丙烯酸的分子量以及聚丙烯酸和硅源的質(zhì)量比來(lái)調(diào)控不同形態(tài)、不同粒徑的中空生物活性玻璃球，該生物玻璃微觀形貌呈中空球狀，粒徑可控在50～300納米，可作為骨修復(fù)材料以及用于藥物緩釋可控載體等。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1制備的中空生物活性玻璃球的透射電鏡圖。

圖2是實(shí)施例2制備的中空生物活性玻璃球的掃描電鏡圖。

圖3是實(shí)施例2制備的中空生物活性玻璃球的氮?dú)馕矫摳角€及孔徑分布曲線。

圖4是實(shí)施例2制備的中空生物活性玻璃球的粒徑分布圖。

圖5是實(shí)施例3制備的中空生物活性玻璃球的X射線衍射圖。

圖6是實(shí)施例4制備的中空生物活性玻璃球的紅外譜圖。

圖7是實(shí)施例5制備的中空生物活性玻璃球浸泡模擬體液測(cè)試掃描電鏡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的闡述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此范圍。

本發(fā)明的實(shí)施例如下：

實(shí)施例1：

將0.2克聚丙烯酸(其分子量為2000)溶于90毫升無(wú)水乙醇、氨水中，攪拌均勻，于6小時(shí)后加入0.9克正硅酸乙酯，繼續(xù)攪拌7小時(shí)，得到透明溶液。

按硅源：磷源：鈣源的摩爾比為80:5:15的比例向上述溶液中依次加入0.19克四水硝酸鈣，0.10克磷酸三乙酯，常溫下攪拌反應(yīng)36小時(shí)，形成乳白色溶液。將反應(yīng)后的溶液經(jīng)離心，乙醇、去離子水洗滌后，80℃烘干，得到白色粉末。將干燥的白色粉末在馬氟爐中于500℃煅燒10小時(shí)去除模板劑，即得中空生物活性玻璃球(其核殼厚度為20納米)。

本實(shí)施例制備獲得中空生物活性玻璃球的形態(tài)為中空球形，平均粒徑為90納米，其透射電鏡情況如圖1所示，圖中可見(jiàn)是分散均勻，中空結(jié)構(gòu)明顯的球體。

實(shí)施例2：

將0.2克聚丙烯酸(其分子量為2000)溶于180毫升無(wú)水乙醇、氨水中，攪拌6小時(shí)后至溶液均勻，然后加入1.8克正硅酸甲酯，繼續(xù)常溫?cái)嚢?小時(shí)，得到透明溶液。

向上述溶液中按硅源：磷源：鈣源為80:5:15的摩爾比依次加入0.25克氯化鈣，0.27克磷酸三乙酯，常溫下攪拌反應(yīng)48小時(shí)，形成白色溶膠。將反應(yīng)后的溶液經(jīng)離心，乙醇、去離子水洗滌后，80℃烘干，得到白色粉末。將白色粉末在馬氟爐中于500℃煅燒12小時(shí)去除模板劑，即得中空生物活性玻璃球(其核殼厚度為30納米)。

本實(shí)施例制備獲得中空生物活性玻璃球的形態(tài)為中空球形，平均粒徑為120納米，其掃描電鏡情況如圖2所示，圖中可見(jiàn)中空生物活性玻璃球的外觀形貌為表面光滑的球體，而且可以很明顯的看到中空結(jié)構(gòu)。

氮?dú)馕矫摳角闆r及孔徑分布情況如圖3所示，圖中可見(jiàn)中空生物活性玻璃球?yàn)闊o(wú)孔結(jié)構(gòu)，比表面積為42.2平方米每克。

粒徑分布情況如圖4所示，圖中可見(jiàn)中空生物活性玻璃球的平均粒徑為120納米。

實(shí)施例3：

將0.2克模板劑聚丙烯酸(其分子量為3000)溶于270毫升無(wú)水乙醇、氨水中，攪拌均勻，常溫下攪拌8小時(shí)后加入2.70克正硅酸乙酯，繼續(xù)常溫?cái)嚢?0小時(shí)，得到透明溶液。

在上述溶液中，按硅源：磷源：鈣源為90:5:5的摩爾比依次加入0.17克四水硝酸鈣，0.20克磷酸三甲酯，持續(xù)攪拌48小時(shí)直至溶液呈白色。其次，將反應(yīng)后的溶液經(jīng)離心，乙醇、去離子水洗滌后，80℃烘干，得到白色粉末。將上述白色粉末在馬氟爐中于500℃煅燒8小時(shí)去除模板劑，即得中空生物活性玻璃球。

本實(shí)施例制備獲得中空生物活性玻璃球的形態(tài)為中空球形，平均粒徑為150納米，其X射線衍射情況如圖5所示，圖中在2θ＝22°～25°的低衍射角區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)饅頭峰，隨后，衍射強(qiáng)度逐漸衰減平滑，沒(méi)有出現(xiàn)晶體的特征峰，所以，可以得出所制備的復(fù)合粒子的表層為非晶態(tài)。

實(shí)施例4：

將0.1克聚丙烯酸(分子量為5000)溶于180毫升無(wú)水乙醇、氨水中，攪拌均勻，常溫下攪拌8小時(shí)后加入1.80克正硅酸乙酯，繼續(xù)常溫?cái)嚢?0小時(shí)，得到透明溶液。

在上述溶液中，按硅源：磷源：鈣源為60:4:36的摩爾比，依次加入1.23克四水硝酸鈣，0.16克磷酸三甲酯，常溫下攪拌反應(yīng)60小時(shí)，形成白色溶液。將上述溶液分別經(jīng)離心，乙醇、去離子水洗滌后，80℃烘干后得到白色粉末，最后置于馬氟爐中于550℃煅燒6小時(shí)去除模板劑，即得中空生物活性玻璃球。

本實(shí)施例制備獲得中空生物活性玻璃球的形態(tài)為中空球形，平均粒徑為200納米，其紅外譜圖如圖6所示，圖中出現(xiàn)了1090cm^-1處、800cm^-1處、和470cm^-1處的紅外吸收帶，分別屬于Si-O-Si非對(duì)稱伸縮振動(dòng)、Si-O對(duì)稱伸縮振動(dòng)以及Si-O-Si對(duì)稱彎曲振動(dòng)，566cm^-1和603cm^-1出現(xiàn)了P-O的彎曲振動(dòng)。

實(shí)施例5：

將0.4克模板劑聚丙烯酸(分子量為5000)溶于720毫升無(wú)水乙醇、氨水中，攪拌8小時(shí)至溶液澄清，然后加入7.2克正硅酸丁酯，繼續(xù)常溫?cái)嚢璧玫酵该魅芤骸?/p>

在上述溶液中，按硅源：磷源：鈣源為70:5:25的摩爾比，依次加入1.04克有機(jī)鈣，0.58克磷酸三乙酯，常溫下攪拌反應(yīng)72小時(shí)，形成白色溶液，后將上述反應(yīng)后的溶液分別經(jīng)離心、乙醇、去離子水洗滌后于80℃烘干，得到白色粉末。最后將干燥后的白色粉末在馬氟爐中于550℃煅燒12小時(shí)去除模板劑，即得中空生物活性玻璃球。

本實(shí)施例制備獲得中空生物活性玻璃球的形態(tài)為中空球形，平均粒徑為250納米。其掃描電鏡如圖7所示，浸泡過(guò)模擬體液的中空生物活性玻璃球的外觀形貌為表面粗糙的球體，外表面形成了大量的磷灰石，表明該材料具有較好的誘導(dǎo)磷灰石生成的能力，體外生物活性較好。

由上述實(shí)施例可見(jiàn)，本發(fā)明所得到的生物活性玻璃球具有良好的生物活性和生物降解性，可作為骨修復(fù)材料以及用于藥物緩釋可控載體，技術(shù)效果顯著突出。