本發(fā)明涉及一種兩步水熱法制備分級多孔生物活性玻璃新方法。

背景技術(shù)：

隨著人們生活水平的不斷提高，由于交通意外、老齡化等社會問題造成的骨損傷、骨折等疾病不斷增加，研究替代人體骨骼等器官的需求迫在眉睫。目前對用于人體的結(jié)構(gòu)仿生替代材料的主要要求是：1、替代材料具有良好的生物相容性和生物活性，能夠與人體租住成鍵聯(lián)結(jié)。2、替代材料對人體組織無毒副作用，能夠與組織細(xì)胞良好結(jié)合，促進細(xì)胞的增值和分化。3、替代材料具有一定的機械強度和韌性以及彈性模量與人體骨骼相匹配，能夠替代原有材料的全部功能或部分功能。

目前用于人體的結(jié)構(gòu)仿生替代材料主要有無機結(jié)構(gòu)仿生生物材料、有機結(jié)構(gòu)仿生物材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)仿生物材料。而無機結(jié)構(gòu)仿生生物材料粉體顯現(xiàn)出易堆積，且燒結(jié)后易形成無序結(jié)構(gòu)，與人體骨骼材料多孔有序結(jié)構(gòu)相差較大。結(jié)構(gòu)仿生差。且其力學(xué)性能包括脆性大、韌性差、易斷裂以及抗彎強度低，有機結(jié)構(gòu)仿生物材料。例如一些高分子基質(zhì)的有機結(jié)構(gòu)仿生生物材料，其力學(xué)性能差、難以加工成型、降解率與成骨速率不協(xié)調(diào)，且高分子基質(zhì)存在殘留粒子，這些成分難以除去。在應(yīng)用于人體后難以降解。且講解后對人體造成二次傷害。因而其應(yīng)用受到較多的限制，在人體中無法應(yīng)用于支撐部位，難以滿足醫(yī)學(xué)臨床要求。而復(fù)合材料能夠綜兩種或兩種以上的材料的性能優(yōu)點，彌補單一材料性能上的不足或缺陷。滿足人們對材料的不同需求，因而研究新型復(fù)合結(jié)構(gòu)仿生型生物材料已經(jīng)引起了各國研究人員的高度重視和深入研究。

七十年代初，hench首次報道了其開發(fā)成功的45s5玻璃具有良好的生物活性和生物相容性，能夠與人次細(xì)胞組織良好的成鍵聯(lián)結(jié)。45s5玻璃的組成為24.5wt％na2o、4.5wt％cao2、6.0wt％p2o5、45wt％sio2。hench在na2o-cao-sio2玻璃中加入6wt％的p2o5，使得整體材料的成分更加接近人體骨骼，這種新型材料不僅對人體無害，而且增加了其生物活性。后來經(jīng)過不斷地發(fā)展，這種具有生物活性的玻璃被人們稱為生物玻璃。

生物玻璃是一種新型的人造仿生材料。是無機生物醫(yī)用材料中的一個重要分支，現(xiàn)主要應(yīng)用于人骨科、牙科等領(lǐng)域。它的結(jié)構(gòu)類似于人骨和天然牙。人造骨可以依靠人體體液補充某些例子而形成新骨，通過體液的循環(huán)，可以在生物玻璃、軟組織和骨骼接合界面發(fā)生分解、吸收、析出等反應(yīng)，實現(xiàn)骨骼的牢固結(jié)合，最終形成羥基碳酸鹽磷灰石層，從而進一步的誘導(dǎo)骨修復(fù)與再生。同時，生物玻璃還可以通過改變其各組分的含量而調(diào)節(jié)器生物活性、力學(xué)性能和降解性，從而滿足臨床上的不同需求。但生物玻璃存在的脆性高、機械強度低、彈性模量較高等缺點，是限制其應(yīng)用的重要因素。

目前研究人員正努力克服這些困難。如今生物玻璃仿生材料的研究和臨床應(yīng)用已經(jīng)成為材料學(xué)、物理化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科交叉的研究熱點，給人類的醫(yī)療健康帶來了重大改善，越來越受到人們的重視。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)仿生型人工骨骼材料的不足，提供了一種兩步水熱法制備分級多孔生物活性玻璃新方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種三維多孔生物活性玻璃的水熱法制備，該方法具體為：

a)將玻璃在去離子水中超聲清洗10min；

b)將清洗后的玻璃和濃度為1-4mol/l的naoh溶液置于高壓反應(yīng)釜的內(nèi)襯中，使得naoh溶液完全浸沒玻璃。然后將高壓釜置于在150℃的烘箱中水熱反應(yīng)4-10h。在naoh的腐蝕下，玻璃表面生成一層三維多孔網(wǎng)狀多孔硅酸鹽納米片陣列。

c)將步驟2處理后的玻璃和濃度為1g/l的十六烷基三甲基溴化銨水溶液置于高壓反應(yīng)釜的內(nèi)襯中，使得十六烷基三甲基溴化銨水溶液完全浸沒玻璃。將高壓釜置于90℃的烘箱中，水熱反應(yīng)60-120min，自組裝成分級多孔生物活性玻璃。

本發(fā)明的有益結(jié)果是：本發(fā)明采用兩步水熱法制備分級多孔生物活性玻璃。這種新型的生物活性玻璃在結(jié)構(gòu)上具有與天然骨骼材料相似的網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)。因而符合仿生學(xué)基本原理。這種多孔結(jié)構(gòu)為細(xì)胞的粘附、增殖提供了更多的空間。與此同時在硅酸鹽納米片上負(fù)載了沸石分子篩，沸石分子篩具有優(yōu)異的吸附性能，能夠吸附更多的藥物，從而極大的提高該生物活性玻璃的藥物緩釋能力。可以作為新一代的骨替代材料和骨修復(fù)的生物支架材料。本發(fā)明能簡單﹑快速﹑穩(wěn)定﹑大批量的制備出分級多孔生物活性玻璃。

附圖說明

圖1是本發(fā)明在不同naoh濃度下的三維多孔生物活性玻璃的主體支架材料-多孔硅酸鹽納米片陣列的sem圖；

圖2是本發(fā)明在不同反應(yīng)時間下的三維多孔生物活性玻璃的主體支架材料-多孔硅酸鹽納米片陣列的sem圖；

圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)仿生型三維多孔生物活性玻璃在不同十六烷基三甲基溴化銨加入量下的sem圖。其中，a：0.05g；b：0.03g；c：0.02g；d：0.01g。

圖4是本發(fā)明結(jié)構(gòu)仿生型三維多孔生物活性玻璃的細(xì)胞培養(yǎng)熒光顯微鏡圖。其中，a：1d；b：3d；c：5d；d：7d。

圖5是結(jié)構(gòu)仿生型生物玻璃的mtt(左)、alp(右)直方圖；其中，1：未添加沸石分子篩；2：添加沸石分子篩；細(xì)胞培養(yǎng)時間為：1d；2d；5d；7d。

具體實施方式

本發(fā)明一種兩步水熱法制備分級多孔生物活性玻璃新方法，該方法具體為：

1、先將玻璃分別用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗，然后將玻璃放入高壓釜中。再向高壓釜中加入加入濃度為1-4mol/l的naoh溶液至浸沒玻璃，在150℃的烘箱中進行水熱反應(yīng)4-10h，最后在玻璃表面得到多孔硅酸鹽納米片陣列。

2、稱取0.01g十六烷基三甲基溴化銨倒入盛有多孔硅酸鹽納米片陣列的上述高壓反應(yīng)釜中，最后將反應(yīng)釜放入90℃下的烘箱中反應(yīng)2h后，得到分級多孔生物活性玻璃。

對分級多孔生物活性玻璃的表征：用日立s-4800掃描電子顯微鏡(sem)對所制備的多孔硅酸鹽納米片陣列和分級多孔生物活性玻璃進行表征。先將樣品固定在導(dǎo)電膠上，用10kv的pt濺射鍍層20秒，然后拍攝sem圖。

實施例

圖1所示，為多孔硅酸鹽納米片在不同的naoh濃度下的形貌變化，當(dāng)naoh濃度為1mol/l時，在玻璃的導(dǎo)電面形成一層均勻有序的硅酸鹽納米片陣列，硅酸鹽納米片的尺寸在500nm左右，相鄰的納米片緊密相鄰，形成一個尺寸為400nm左右的孔道，大面積的納米片緊密排列在一起從而形成多孔硅酸鹽納米片陣列。當(dāng)naoh濃度為2mol/l時，在玻璃上依然形成一層均勻有序的硅酸鹽納米片陣列，此時硅酸鹽納米片的尺寸減小為200nm左右，相鄰的硅酸鹽納米片之間緊密相連，形成一個個尺寸為100nm左右的孔道，大面積的納米片緊密排列在一起從而形成多孔硅酸鹽納米片陣列；隨著naoh濃度的不斷增加，硅酸鹽納米片的尺寸不斷增加。當(dāng)naoh濃度增加到3mol/l時，硅酸鹽納米片的尺寸增加到1um左右，此時硅酸鹽納米片的大小變得不均勻，納米片之間的孔道也進一步變大且孔道尺寸變得不均勻；當(dāng)naoh的濃度增加到4mol/l時，硅酸鹽納米片的尺寸變得更加不均勻，出現(xiàn)大小重疊，上下多層結(jié)構(gòu)。綜上所述，當(dāng)naoh濃度為2mol/l時，硅酸鹽納米片陣列最佳，納米片均勻有序，尺寸在100nm左右。

圖2所示，當(dāng)設(shè)置naoh濃度為2mol/l時，多孔硅酸鹽納米片在不同反應(yīng)時間下的形貌變化圖。當(dāng)水熱反應(yīng)時間為4h時，在玻璃表面上長有均勻有序的硅酸鹽納米片陣列，硅酸鹽納米片的尺寸在100nm左右；當(dāng)水熱反應(yīng)時間提高到6h時，硅酸鹽納米片逐漸長大，部分納米片發(fā)生彎曲，導(dǎo)致納米片圍成的孔道變?。划?dāng)水熱反應(yīng)時間為10h時，硅酸鹽納米片進一步長大，尺寸不均勻，納米片向各個方向不規(guī)則的生長，從而破壞了硅酸鹽納米片陣列宏觀上的多孔結(jié)構(gòu)。由此可見，隨著水熱反應(yīng)時間的增加，硅酸鹽納米片不斷長大，且慢慢發(fā)生彎曲，當(dāng)水熱反應(yīng)時間達到10h時，硅酸鹽納米片進一步生長，破壞了硅酸鹽納米片陣列的多孔結(jié)構(gòu)。

圖3所示，當(dāng)naoh濃度為2mol/l、反應(yīng)時間為6h時，結(jié)構(gòu)仿生型生物玻璃隨沸石分子篩加入了的不同，其形貌變化的sem圖，由圖可知，當(dāng)沸石分子篩的加入量為0.05g時，沸石分子篩的量過大，以至于將多孔硅酸鹽納米片陣列的孔道全部堵塞，已經(jīng)破壞了硅酸鹽納米片的多孔結(jié)構(gòu)如a圖所示；當(dāng)減少沸石沸石分子篩的加入量至0.03g時，硅酸鹽納米片陣列有少量的孔道未被沸石分子篩堵住，但整體上沸石分子篩大面積的粘附在硅酸鹽納米片上。隨著沸石分子篩的加入量不斷減少，粘附在硅酸鹽納米片上的沸石分子篩不斷減少，硅酸鹽納米片之間形成的孔道逐漸顯現(xiàn)出來，當(dāng)沸石分子篩的加入量為0.01g時，在多孔硅酸鹽納米片的表面和界面上長有大量的顆粒尺寸為50nm左右的沸石分子篩，沸石分子篩晶體均勻的分布在納米片上。綜上所述，控制沸石分子篩的加入量可以實現(xiàn)沸石分子篩在硅酸鹽納米片上的均勻生長，增大硅酸鹽納米片的表面積和比表面積。同時沸石分子篩具有較強的吸附性，為下一步的生物細(xì)胞實驗中的細(xì)胞提供大量的繁殖空間。

圖4所示，在細(xì)胞培養(yǎng)1-3天時，mg63細(xì)胞開始在該生物玻璃上生長繁殖，數(shù)量不斷增加，隨著培養(yǎng)時間的不斷增加，當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)時間增加到7天時，mg63細(xì)胞已經(jīng)覆蓋了整個生物玻璃的表面，由此說明該結(jié)構(gòu)仿生型生物玻璃具有優(yōu)異的生物相容性。其獨特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和其表面負(fù)載的多孔沸石分子篩能夠促進mg63細(xì)胞的粘附、增殖和分化。

圖5所示，由圖可知，添加沸石分子篩后的生物玻璃與硅酸鹽納米片陣列的細(xì)胞mtt和alp測試結(jié)果都要高，當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)持續(xù)到第三天時，添加沸石分子篩的生物玻璃的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來，其表面和孔道內(nèi)存在著更多的mg63細(xì)胞。當(dāng)細(xì)胞共培養(yǎng)至第七天時，結(jié)構(gòu)仿生型生物玻璃表面粘附的mg63細(xì)胞明顯比硅酸鹽納米片表面粘附的細(xì)胞要多，由此證明了添加了沸石分子篩后的結(jié)構(gòu)仿生型生物玻璃具有良好的生物相容性，能夠促進和誘導(dǎo)mg63細(xì)胞的粘附、增殖和分化。