專利名稱：：一種硼酸鹽生物微晶玻璃及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種微晶玻璃，具體地說關(guān)于一種硼酸鹽生物微晶玻璃及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：19世紀(jì)70年代初，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的Hench教授發(fā)現(xiàn)了生物活性玻璃，并首次將其應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，爿W而開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的生物材料研究領(lǐng)域。這類材料作為生物醫(yī)學(xué)材料具有金屬、高分子及生物惰性材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)，與周圍骨質(zhì)結(jié)合牢固，植入骨內(nèi)沒有排斥反應(yīng)，對(duì)人體無(wú)害、無(wú)毒，機(jī)械強(qiáng)度較自然骨骼高，且在人體內(nèi)無(wú)強(qiáng)度疲勞現(xiàn)象，容易滅菌和成型加工容易等特點(diǎn)。近年來(lái)開發(fā)出一些具有生物活性、機(jī)械強(qiáng)度較高的生物活性玻璃，以Hench教授開發(fā)的45S5玻璃為代表，多為含釣和磷的玻璃，將這樣的玻璃植入骨骼后，自玻璃表面溶出的鈣離子與體液中存在的磷酸根離子結(jié)合生成磷酸鈣層，借此與骨頭表面新生骨的磷酸鈣層牢固地結(jié)合在一起。但是，生物玻璃在人體內(nèi)降解速率太快，影響了其長(zhǎng)期耐久性，且強(qiáng)度較低，應(yīng)用受限。為此，有關(guān)科技工作者通過調(diào)整玻璃組分以在保持生物活性玻璃優(yōu)勢(shì)的勤出上，通過玻璃的微晶化處理，提高其化學(xué)穩(wěn)定性，較為典型的有(l)美國(guó)專利P3981736中提到組成wt。/。為Si0220-60%,P2O55-40%,Na202.7-20%,K200.4-20%,MgO2.9-30%,CaO5-40%,F0.5-3%的磷灰石微晶玻璃，由于含有K、Na等堿金屬離子，化學(xué)穩(wěn)定性不好，植入人體后在新的骨組織形成以前就完全降解，力學(xué)性能較差。(2)A/W生物微晶玻璃最初是由日本京都大學(xué)的Kokubo等人在80年代提出(BullInstChemResKyotoUniv，60(1982)260—268),其由于含有磷灰石和硅灰石微晶相而被命名為A/W樣t晶玻璃。AW微晶玻璃在保持了良好的生物活性的同時(shí)，由于含有纖維狀石圭灰石晶相，力學(xué)性能得到極大的提高而接近自然骨，而且由于不含K、Na等堿金屬離子，降解速率低，其力學(xué)性能即使在體液中也表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性。(3)美國(guó)專利P5336642中l(wèi)是到組成wt。/。為Si0242-70%,P2O52-13%,Na206-12%,K203-10°/。，CaO20-30%,F3-11%的石_^成鉤石4鼓晶玻璃。(4)德國(guó)專利DE-4113021提到Na20-K20-MgO-CaO-A1203-Si02-P205-F系統(tǒng)Bioverit②微晶玻璃，這種玻璃含有磷灰石，A1P04以及其它磷酸鹽作為晶相。然而，玻璃中A廣離子的存在干擾了骨細(xì)胞的再生，AP離子達(dá)到一定濃度，微晶玻璃在體液中轉(zhuǎn)變成磷灰石將變得十分困難。(5)美國(guó)專利P7074730中提到組成wty。為Si0229.5-70%,P2052-13%,Na206-27.5%,Ca05.5-23%,F0-1.5%磷鈉4丐石孩t晶玻璃，主要用于牙科替代材料。(6)中國(guó)專利文獻(xiàn)CN15628347>開了一種可降解多孔生物活性^1璃支架及其制備方法，該玻璃支架組成的質(zhì)量百分比為Ca024-45%,Si0234-50%,Na200-25%，P2055-17%，MgO0_5°/。以及CaF20-1%。該支架在人體模擬體液中浸泡后表面即有羥基磷灰石生成，顯示具有良好的生物活性，可望用作硬組織缺損修復(fù)材料和體外骨組織培養(yǎng)用細(xì)胞支架材料。但是，關(guān)于能在模擬體液SBF溶液中材料表面生成羥基磷灰石速率可調(diào)的硼酸鹽生物微晶玻璃未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于(1)提供一種硼酸鹽生物微晶玻璃；(2)提供一種硼酸鹽生物微晶玻璃的制備方法；(3)提供硼酸鹽生物微晶玻璃的應(yīng)用本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的2003年，發(fā)明人和美國(guó)密蘇里大學(xué)的DelbertEDay教授等人首次研究了不含硅硼酸鹽玻璃在生物方面的應(yīng)用，研究結(jié)果表明與硅酸鹽生物玻璃45S5相比，某些硼酸鹽玻璃能在體液中更迅速轉(zhuǎn)變成羥基磷灰石并且與骨組織結(jié)合良好。在此基礎(chǔ)上，通過反復(fù)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整玻璃組成，制備出一種新型硼酸鹽系統(tǒng)生物微晶玻璃。微晶玻璃的制備方法如下(一)原料的預(yù)處理?？紤]到磷酸的揮發(fā)性，對(duì)五氧化二磷的引入方式進(jìn)行了一系列的研究。對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以固體偏磷酸(HP03)引入時(shí)，原料易于潮解，稱量準(zhǔn)確性差，不易粉碎，粉料無(wú)從均勻混合且當(dāng)其被力。熱而熔融時(shí)，產(chǎn)生分層現(xiàn)象，揮發(fā)損失大。以磷酸0^04)傾入粉料而直接進(jìn)行熔制，由于磷酸鹽形成不完全，游離磷酸易于揮發(fā)，且在低溫時(shí)易滲入坩堝壁的氣孔內(nèi)，加強(qiáng)對(duì)耐火材料的侵蝕，且磷酸化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生了水分，引起發(fā)泡現(xiàn)象。至于合成的磷酸鹽，由于玻璃中五氧化二磷的含量較高，往往不能制得所需的玻璃成分。研究發(fā)現(xiàn)，以部分合成磷酸鹽和五氧化二磷共同引入對(duì)玻璃的熔制最有利。原料的預(yù)處理過程如下按玻璃配方進(jìn)行準(zhǔn)確稱量，將稱量好的原料攪拌均勻，裝入石英坩堝中，以緩慢的升溫速率1-2。C/min在馬弗爐中升溫至180-250°C,保溫4小時(shí)。原料預(yù)處理的目的是為了去除原料中引入的水分(有些原料如五氧化二磷極易吸潮)；使原料預(yù)反應(yīng)，防止下一步玻璃的高溫熔制過程中五氧化二磷的過度揮發(fā)。熱處理所得的塊狀固體經(jīng)粉碎后即可用于熔制。(二)玻璃的熔制。原料預(yù)處理后，從石英坩堝中取出粉碎研磨至一定細(xì)度，在白金坩堝內(nèi)進(jìn)行熔制。熔制溫度為900°C-1200°C，保溫時(shí)間為l-3小時(shí)。試探性的熔制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硼酸鹽鹽玻璃約90(TC時(shí)，粘度已達(dá)到澄清所需的數(shù)值，為減少五氧化二磷的揮發(fā)，結(jié)合硼酸鹽玻璃的特點(diǎn)，釆取快速熔制是合適的。結(jié)果還表明，當(dāng)保溫時(shí)間不超過l小時(shí)時(shí)，熔制所得的玻璃有浮渣、結(jié)石和氣泡等缺陷。在900。C時(shí)延長(zhǎng)保溫時(shí)間至2小時(shí)以上時(shí)，基本可以消除上迷現(xiàn)象。(三)微晶玻璃的制備。在微晶玻璃的制備中有兩種情況l)熔體在金屬模子間壓制淬冷，在冷卻過程中析出磷鈉鈣石晶體；2)熔體在金屬模子間壓制淬冷后，在600。C-80(TC溫度下熱處理0.5-10小時(shí)，析出磷鈉4丐石晶體。析晶取決于玻璃組分中Na20和CaO的比例以及P205的含量。本發(fā)明的技術(shù)方案如下(1)一種硼酸鹽生物微晶玻璃，按重量百分比該孩吏晶玻璃由以下組分組成B20330-60%Na2010-40%CaO10-30%P20510-30%F0-2%,所述Na20與CaO重量比為1:2，所述CaO與P205重量比為1:2。所述的微晶玻璃，按重量百分比該微晶玻璃由以下組分組成B20340-50%Na2010-30%CaO10-20%P20510-20%F0-1%，所述Na20與CaO重量比為1:1.5，所述CaO與？205重量比為1.5:2按重量百分比該微晶玻璃由以下組分組成B20345.7%Na2022%CaO19.9%P20,12.4%。(2)微晶玻璃制備方法，該方法包括由以下步驟組成(a)原料的預(yù)處理將原料攪拌，裝入石英坩堝中，以緩慢的升溫速率l-2。C/min在馬弗爐中升溫至180-250°C，保溫4小時(shí)；(b)玻璃的熔制乂"英坩堝中取出粉碎研磨，在白金坩堝內(nèi)進(jìn)行熔制，熔制溫度為900°C-1200°C,保溫時(shí)間為l-3小時(shí)；(c)微晶玻璃的制備將(b)步驟制得的熔體在金屬模子間壓制淬冷，在冷卻過程中析出磷鈉鈣石晶體；或者將(b)步驟制得的熔體在金屬模子間壓制淬冷后，在60(TC-800。C溫度下熱處理0.5-10小時(shí)，析出磷鈉釣石晶體。所述(a)步驟中原料在馬弗爐中升溫至19(TC,(b)步驟中熔制溫度為1100。C,保溫時(shí)間為2.5小時(shí)，(c)步驟中退火溫度為500°C,退火時(shí)間為2小時(shí)，退火后的玻璃在70(TC下熱處理2小時(shí)玻璃析晶。(3)所述的微晶玻璃作為人造骨、人造牙、人造關(guān)節(jié)的應(yīng)用。本發(fā)明所公開一種硼酸鹽生物微晶玻璃及其制備方法和應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在硼酸鹽生物微晶玻璃，晶相主要^^磷鈉鈣石即p-NaCaP04,玻璃相是鈉鈣硼玻璃。與之前的硅酸鹽或磷酸鹽系統(tǒng)生物孩t晶玻璃相比較，其主要優(yōu)點(diǎn)在鈉鈣硼玻璃相在SBF溶液中降解速率很高，能使材料在體液中更迅速轉(zhuǎn)變成羥基磷灰石材料，生成鞋基磷灰石的速率可調(diào)。磷鈉鈣石晶相具有骨傳導(dǎo)性，在體液中降解速率較低，卻確保了材料在植入后的強(qiáng)度穩(wěn)定。硼酸鹽系統(tǒng)微晶玻璃的這兩種反應(yīng)機(jī)理使得材料在體液中的降解速率可以通過調(diào)節(jié)晶相和玻璃相比例來(lái)控制，從而使得材料在植入后，骨組織生長(zhǎng)速率與材料降解速率保持一致成為可能，材料的強(qiáng)度保持穩(wěn)定。硼酸鹽生物微晶玻璃制備方法(a)步驟原料預(yù)處理的目的是為了去除原料中引入的水分(有些原料如五氧化二磷極易吸潮)；使原料預(yù)反應(yīng)，防止下一步玻璃的高溫熔制過程中五氧化二磷的過度揮發(fā)。熱處理所得的塊狀固體經(jīng)粉碎后即可用于熔制。提高了硼酸鹽生物微晶玻璃產(chǎn)率。具體實(shí)施方式下面將通過結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的有關(guān)內(nèi)容，但實(shí)施例并不限制其保護(hù)范圍實(shí)施例1按照表1中所示組成比準(zhǔn)確稱量原料，將原料攪拌，裝入石英坩堝中，以緩慢的升溫速率2。C/min在馬弗爐中升溫至200。C,保溫4小時(shí)；/A^英坩堝中取出粉碎研磨，在白金坩堝內(nèi)進(jìn)行熔制，熔制溫度為1200。C,保溫時(shí)間為2小時(shí)；將制得的熔體在金屬模子間壓制淬冷，在冷卻過程中析出磷鈉鉤石晶體后即為本發(fā)明的產(chǎn)品。將微晶玻璃試樣切割、研磨、拋光具有一定厚度和直徑的試樣(系常規(guī)的技術(shù)要求)。微晶玻璃熔制及性能的測(cè)試結(jié)果示于表2。玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和析晶溫度是采用玻璃工業(yè)的傳統(tǒng)測(cè)試方法差熱分析法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀器是上海天平儀器廠的CRY-2CRY-1WRT-1高溫差熱分片斤乂(義。通常，材料生物活性的評(píng)估方法是將材料置于生理模擬液(SBF)中，測(cè)定其在SBF溶液中生成羥基磷灰石的能力。SBF溶液中各種離子的濃度分別為Na+142.0mM,K+5.0mM，Mg2+1.5mM，Ca2+2.5mM,C1—148.8mM，HOT34.2mM和HP042-1.0mM,沖莫擬體液是將NaCl，NaHC03,KC1，K2HP043H20，MgCl26H20，CaCl2和Na2S04溶解在去離子水中，溶液用((CH2OH)3C仰2)和HC1緩沖pH值至7.25。本次實(shí)驗(yàn)中對(duì)微晶玻璃材料的生物活性的評(píng)價(jià)為樣品在SBF模擬體液中浸泡反應(yīng)表面生成羥基磷灰石(HA)的時(shí)間。如果玻璃在SBF模擬體液中下放置24小時(shí)后表面就生成了羥基磷灰石(HA),則該玻璃的生物活性極佳，可以應(yīng)用。玻璃表面的結(jié)構(gòu)分析包括日本JEOL公司的SEM(JSM-6360LV)型掃描電鏡，美國(guó)Nicolet公司的紅外吸收光譜NicoletMagnaIR550和日本RIGAKU的轉(zhuǎn)耙X射線多晶衍射儀D/MAX2550VB/PC分析。測(cè)試結(jié)果見表2，在模擬體液中浸泡48小時(shí)后，微晶玻璃表面生成了羥基磷灰石，表明該微晶玻璃具有很高的生物活性，能作為替代材料促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)。根據(jù)1982年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)和牙科協(xié)會(huì)(ANSI/ADA)公布的評(píng)價(jià)生物相容性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)草案，評(píng)價(jià)生物相容性的實(shí)驗(yàn)方法有全身毒性試驗(yàn)(口服法)、細(xì)胞培養(yǎng)法(細(xì)胞毒性試一驗(yàn)法)、急性全身毒性試驗(yàn)(靜脈注射法)、吸入毒性試驗(yàn)、溶血試驗(yàn)、皮下植入試驗(yàn)、骨內(nèi)植入試驗(yàn)、過敏試驗(yàn)等。其中，細(xì)胞培養(yǎng)法作為檢測(cè)材料毒性的手段，具有簡(jiǎn)便、敏感性高、節(jié)省動(dòng)物、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、縮短生物材料研究周期等優(yōu)點(diǎn)。本次實(shí)驗(yàn)中對(duì)微晶玻璃材料的生物相容性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要是用人體肺瘤細(xì)胞SAOS-2進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)。測(cè)試結(jié)果表明，沒有細(xì)胞的死亡，相反，細(xì)胞l小時(shí)后就開始在材料上貼壁吸附，48小時(shí)后細(xì)胞完全吸附覆蓋在材料表面并且迅速繁殖生長(zhǎng)。實(shí)施例2按照表l中所示組成比準(zhǔn)確稱量原料，除了預(yù)燒結(jié)溫度為190°C,熔制溫度為IIO(TC,保溫時(shí)間為2.5小時(shí)，熔體在金屬模子間壓制淬冷，在冷卻過程中析出磷鈉鈣石晶體外，其余與實(shí)施例l相同。測(cè)試與實(shí)施例l相同，結(jié)果示于表2。在模擬體液中浸泡24小時(shí)后，微晶玻璃表面生成了羥基磷灰石，細(xì)胞培養(yǎng)測(cè)試結(jié)果表明，沒有細(xì)胞的死亡，細(xì)胞l小時(shí)后就開始在材料上貼壁吸附，24小時(shí)后細(xì)胞完全吸附覆蓋在材料表面并且迅速繁殖生長(zhǎng)。實(shí)施例3按照表l中所示組成比準(zhǔn)確稱量原料，除了預(yù)燒結(jié)溫度為21(TC,熔制溫度為IOO(TC,保溫時(shí)間為2小時(shí)，除了退火溫度為500°C，退火時(shí)間為2小時(shí)。退火后的玻璃在70(TC下熱處理2小時(shí)玻璃析晶外，其余與實(shí)施例l相同。測(cè)試與實(shí)施例l相同，結(jié)果示于表2。在才莫擬體液中浸泡24小時(shí)后，微晶玻璃表面生成了羥基磷灰石，細(xì)胞培養(yǎng)測(cè)試結(jié)果表明，沒有細(xì)胞的死亡，細(xì)胞1小時(shí)后就開始在材料上貼壁吸附，24小時(shí)后細(xì)胞完全吸附覆蓋在材料表面并且迅速繁殖生長(zhǎng)。表1實(shí)施例玻璃的組分<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表2實(shí)施例玻璃的性能測(cè)試結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>生物微晶玻璃，它是以磷鈉鈣石為晶相，鈉鈣硼玻璃為基質(zhì)玻璃相的材料。該微晶玻璃具有很高的生物活性和生物相容性，可作為替代材料用于AJt骨、人造牙、Ait關(guān)節(jié)等方面權(quán)利要求1、一種硼酸鹽生物微晶玻璃，其特征在于按重量百分比該微晶玻璃由以下組分組成B2O330-60％Na2O10-40％CaO10-30％P2O510-30％F0-2％，所述Na2O與CaO重量比為1∶2所述CaO與P2O5重量比為1∶2。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶玻璃，其特征在于按重量百分比該微晶玻璃由以下組分組成B20340-50%Na2010-30%CaO10-20%P20510-20%F0-1"所述Na20與CaO重量比為1:1.5所述CaO與P20s重量比為1.5:2。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的微晶玻璃，其特征在于按重量百分比該微晶j波璃由以下組分組成45.7%Na2022%CaO19.9%P20512.4%。4、制備權(quán)利要求1所述微晶玻璃的方法，其特征在于該方法包括由以下步驟組成(a)原料的預(yù)處理將原料攪拌，裝入石英坩堝中，以緩慢的升溫速率l-2。C/min在馬弗爐中升溫至180-250°C,保溫4小時(shí)；(b)玻璃的熔制乂"英坩堝中取出粉碎研磨，在白金坩堝內(nèi)進(jìn)行熔制，熔制溫度為900°C-1200°C,保溫時(shí)間為1-3小時(shí)；(c)微晶玻璃的制備將(b)步驟制得的熔體在金屬模子間壓制淬冷，在冷卻過程中析出磷鈉鈣石晶體；或者將(b)步驟制得的熔體在金屬才莫子間壓制淬冷后，在600。C-80(TC溫度下熱處理0.5-10小時(shí)，析出磷鈉4丐石晶體。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶玻璃制備方法，其特征在于(a)步驟中原料在馬弗爐中升溫至190°C，(b)步驟中熔制溫度為1100°C,保溫時(shí)間為2.5小時(shí)，(c)步驟中退火溫度為500°C，退火時(shí)間為2小時(shí)，退火后的玻璃在70(TC下熱處理2小時(shí)玻璃析晶。6、權(quán)利要求1-3中任一所述的微晶玻璃作為人造骨、人造牙、人造關(guān)節(jié)的應(yīng)用。全文摘要本發(fā)明涉及一種微晶玻璃，具體地說關(guān)于一種硼酸鹽生物微晶玻璃及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種硼酸鹽生物微晶玻璃，按重量百分比該微晶玻璃由以下組分組成B₂O₃30-60％，Na₂O10-40％，CaO10-30％，P₂O₅10-30％，F(xiàn)0-2％，所述Na₂O與CaO重量比為1∶2，所述CaO與P₂O₅重量比為1∶2。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在硼酸鹽生物微晶玻璃晶相主要是磷鈉鈣石即β-NaCaPO₄，玻璃相是鈉鈣硼玻璃。鈉鈣硼玻璃相在SBF溶液中降解速率很高，能使材料在體液中更迅速轉(zhuǎn)變成羥基磷灰石材料，生成羥基磷灰石的速率可調(diào)。文檔編號(hào)A61L27/00GK101596326SQ20081003868公開日2009年12月9日申請(qǐng)日期2008年6月6日優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日發(fā)明者劉昌勝,磊占,周奐君,屠軼凡,張愛平,文梁申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)