專利名稱：一種鈣硅基有序介孔生物活性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)明涉及一種鈣硅基有序介孔生物活性玻璃及其制備方法和應(yīng)用，屬于生物材料領(lǐng)域，具體涉及具有相同孔道結(jié)構(gòu)組成不同的有序介孔生物活性玻璃及其在藥物緩釋中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
Ca、Si、P體系的生物活性無機(jī)材料是一類能在材料界面上引發(fā)特殊生物反應(yīng)的材料，其能導(dǎo)致組織和材料之間形成化學(xué)鍵合。自從1969年美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的Hench教授首先發(fā)現(xiàn)了Na2O-CaO-SiO2-P2O5系列玻璃具有與人體骨組織產(chǎn)生化學(xué)鍵合后(L.L.Hench，R.J.Splinter，W.C.Allen and T.K.Greenlee，J.Biomed.Mater.Res.，2，117-141(1971))，其他研究人員進(jìn)一步在成分和合成制備方法上進(jìn)行了研究，開發(fā)了溶膠凝膠生物活性玻璃，微晶系列生物活性玻璃(包括Ceravital微晶玻璃，A-W微晶玻璃，Bioverit可切削生物微晶玻璃)。
生物活性玻璃之所以如此受人重視，除了其具有與人體骨組織有鍵合能力外，還具有良好的生物相容性，沒有毒副作用，良好的生物降解性，可用于骨組織替換，修復(fù)，填充材料以及生物涂層，藥物載體等領(lǐng)域。其部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入臨床，并取得很好的治療和修復(fù)效果。
隨著組織工程及生物材料的發(fā)展，研究人員們注意到材料本身的一些微結(jié)構(gòu)包括粉體的顆粒大小、形狀、介觀結(jié)構(gòu)，塊體材料表面性質(zhì)，支架材料的表面化學(xué)及介觀結(jié)構(gòu)特性對(duì)細(xì)胞的黏附，鋪展和基因表達(dá)及與組織的接觸都有很大的影響。
基于有序介孔材料具有高的比表面積，均一可調(diào)的孔徑和規(guī)整的孔道排列，所以其在生物礦化、生物催化、藥物載體等領(lǐng)域可能產(chǎn)生很重要的作用。
雖然人們已經(jīng)關(guān)注到這些問題，但是關(guān)于這一方面的研究都不多。現(xiàn)有的一些研究集中在用溶膠凝膠法制備的具有一些雜亂的微孔、介孔的生物活性玻璃及介孔二氧化硅，介孔二氧化鈦對(duì)體外生物活性的影響。2004年，Yan等人報(bào)道了用溶劑揮發(fā)自組裝法制備出了有序介孔生物活性玻璃，并對(duì)其體外羥基磷灰石的形成能力進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。但是由于在合成過程中使用了大量有機(jī)溶劑(如乙醇等)，從而使反應(yīng)過程比較復(fù)雜，并且大量的使用有機(jī)溶劑也造成了不必要的浪費(fèi)。
因此，在現(xiàn)有情況下，有必要采用一種新的方法來制備一類多組分具有有序介觀結(jié)構(gòu)的生物材料，以便能從微觀結(jié)構(gòu)去研究微觀結(jié)構(gòu)對(duì)體外生物活性，細(xì)胞及體內(nèi)組織的影響，從而可以從細(xì)胞及分子水平去研究Ca、Si、P類生物無機(jī)材料對(duì)人體成骨細(xì)胞增殖、分化、新骨形成和鈣化及重建具有相關(guān)生理機(jī)能的人體骨組織。
此外，由于在骨外科手術(shù)中存在骨感染問題。許多治療手段都是為了防止進(jìn)一步的感染，但是也會(huì)導(dǎo)致某些組織功能的喪失，也會(huì)給病人帶來額外的痛苦。目前，在手術(shù)過程中進(jìn)行局部藥物釋放治療成為一種很有效的方法。很多科學(xué)家都在研究一種理想的可控藥物釋放載體。與傳統(tǒng)方法相比，可控藥物緩釋載體具有高的藥物裝載能力、持續(xù)的治療作用、對(duì)病人來更方便、毒性更低。其目的就是在藥物的作用濃度范圍內(nèi)延長(zhǎng)藥物的治療效果。目前主要研究的藥物載體主要是可降解的聚酯類材料、生物陶瓷與聚酯的復(fù)合材料、有機(jī)無機(jī)骨水泥等。但是他們都有非常明顯的缺點(diǎn)。聚酯類載體沒有生物活性，降解副產(chǎn)物具有酸性會(huì)引起局部炎癥；復(fù)合載體及無機(jī)骨水泥雖然改善了生物活性，但是其釋放速度太快，緩釋效果較差。因此，我們提出了制備一種具有生物活性的高效藥物緩釋載體。其在骨植入、骨填充、骨修復(fù)過程中不僅能防止骨科感染問題，而且能與骨產(chǎn)生牢固的鍵合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是合成一類具有有序的較大孔徑，任意調(diào)節(jié)組成的多組分介孔生物活性玻璃，其空間群結(jié)構(gòu)是六方結(jié)構(gòu)，孔徑范圍5-10nm，BET比表面積為200-600m2/g，其熱穩(wěn)定性高于550℃，拓寬了介孔材料的種類和用途。
本發(fā)明中上述材料是多組分的組成可調(diào)的非晶材料。主要為SiO2-CaO類和SiO2-CaO-P2O5類生物活性玻璃，采用的SiO2∶CaO∶P2O5摩爾比為1∶0.42-3∶0-0.1。
本發(fā)明中上述材料的形貌為粉末，呈蠕蟲狀，長(zhǎng)1-8μm，直徑100-300nm。
本發(fā)明中上述材料與文獻(xiàn)中報(bào)道的含有介孔的生物活性玻璃或硅酸鈣材料是不同的。文獻(xiàn)中報(bào)道的材料是由于使用溶膠凝膠法合成過程中離子的流失和結(jié)構(gòu)缺陷所導(dǎo)致的，其雜亂，無序，孔徑分布寬，透射電鏡無法拍到其完整的孔道結(jié)構(gòu)，且對(duì)其孔道也無法控制。而我們合成的材料是由表面活性劑自組裝形成的，具有高度有序，孔道均一可控，結(jié)構(gòu)規(guī)整，熱穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。
本發(fā)明提出了一種新型兩步法制備有序介孔生物活性玻璃的方法，即首先在水浴中進(jìn)行反應(yīng)然后用水熱法進(jìn)行熱處理。
其特征在于該方法包括以下幾個(gè)步驟1、所采用的原料硅源可以為正硅酸乙酯(TEOS)和正硅酸甲酯(TMOS)；磷源可以為磷酸三乙酯；鈣源可以為可溶性鈣鹽，包括四水合硅酸鈣、氯化鈣、草酸鈣等；表面活性劑為非極性的三嵌段共聚物，主如品名為Pluronic P123(簡(jiǎn)稱P123)、Pluronic F127(簡(jiǎn)稱F127)、Pluronic P65(簡(jiǎn)稱P65)的商品。酸主要用的為鹽酸或硝酸，預(yù)先配制成1-5mol/l的酸溶液。
2、首先將酸溶液和去離子水混合，調(diào)節(jié)pH值在-1～1；然后將表面活性劑溶于此溶液中，攪拌至澄清，表面活性劑的濃度為0.2-0.3g/ml。接著把硅源、鈣源和磷源加入上述溶液中，在恒溫水浴中(20-45℃)攪拌12-24小時(shí)。將攪拌所得的溶液放入水熱反應(yīng)釜中，在90-110℃下反應(yīng)24-48小時(shí)，然后將所得懸濁液直接倒入培養(yǎng)皿中于60-100℃下進(jìn)行干燥。干燥完成后，將新合成的粉體在馬弗爐中于550-700℃溫度下煅燒3-5小時(shí)，即得有序介孔生物玻璃粉體。
在本發(fā)明中，獨(dú)特的特點(diǎn)在于本發(fā)明中，鈣鹽除了有利于降低表面活性劑的使用濃度和合成溫度外，還作為反應(yīng)物參與了最終產(chǎn)物的形成。
本發(fā)明制備的材料經(jīng)過體外活性實(shí)驗(yàn)(浸泡SBF)表明形成羥基磷灰石的速率比普通的溶膠凝膠法制備的生物活性玻璃更快，形態(tài)類似，因而能很好地符合骨組織工程的要求。
本發(fā)明制備的材料的藥物裝載能力為20wt％-40wt％，比普通的生物玻璃高出了2-4倍。表1為M58S與58S的藥物裝載能力，其中M58S為本發(fā)明實(shí)施例1制備的生物活性玻璃，58S為采用傳統(tǒng)的溶膠凝膠法制備的SiO2含量占58％的生物活性玻璃，結(jié)果表明M58S的藥物裝載能力是58S的近4倍。
表1

本發(fā)明制備的材料的藥物緩釋能力明顯高于普通的生物玻璃，其在具有與骨能更牢固結(jié)合的情況下還具有高效的藥物緩釋效果，可用于骨缺損的再生修復(fù)，生物涂層，功能性蛋白，藥物載體以及組織工程支架材料。。不僅有生物活性而且還能防止炎癥。
本發(fā)明制備的材料，其藥物緩釋效果隨著材料組成、結(jié)構(gòu)以及溶液的pH值和無機(jī)離子的濃度變化而變化，從而能夠通過條件的變化達(dá)到釋放速度的控制。


圖1為M58S粉體煅燒前后的小角XRD衍射圖譜，圖上3個(gè)明顯的衍射峰，分別代表為六方結(jié)構(gòu)的(100)、(110)和(200)晶面，表征該材料具有一維六方孔道結(jié)構(gòu)。
圖2為M58S粉體的高分辨透射電鏡照片，直觀的給出了介孔的孔道結(jié)構(gòu)。
圖3為M58S粉體的N2吸附脫附曲線圖(內(nèi)為孔徑分布圖)，表明材料具有高的比表面積和均一的孔徑。
圖4為M58S粉體的掃描電鏡照片，從圖中可以看到粉體外觀呈蠕蟲狀。
圖5為M58S粉體在SBF中浸泡12小時(shí)后的掃描電鏡照片，表明材料經(jīng)過12小時(shí)浸泡后表面沉積了一層羥基磷灰石。
圖6為M58S粉體在SBF中浸泡3，6，12小時(shí)后的廣角XRD圖譜，表明此種材料具有良好的生物活性，能在短時(shí)間內(nèi)快速的沉積羥基磷灰石。
圖7為M58S與58S粉體在去離子水中進(jìn)行藥物釋放的結(jié)果，表明在去離子水中M58S具有比58S更好的藥物緩釋效果。
圖8為M58S與58S塊體在去離子水中進(jìn)行藥物釋放的結(jié)果，表明以塊體形式為藥物載體時(shí)，在去離子水中M58S仍具有比58S更好的藥物緩釋效果。
圖9為M58S與58S粉體在SBF中進(jìn)行藥物釋放的結(jié)果，表明在SBF中M58S具有比58S更好的藥物緩釋效果。
圖10為M58S粉體在去離子水中和SBF中進(jìn)行藥物釋放的結(jié)果，表明以M77S為載體，在SBF中藥物釋放的速率比在去離子水中快。
圖11為M58S在不同pH值的鹽酸溶液中的藥物釋放，表明以M58S為載體，藥物釋放的速率是受pH值影響的。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不僅限于實(shí)施例。

實(shí)施例1M58S的合成、體外活性實(shí)驗(yàn)和藥物釋放性能研究合成實(shí)驗(yàn)將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調(diào)至-1，攪拌溶液澄清為止。然后加入2.966g硝酸鈣(CN)，待硝酸鈣完全溶解后，滴加入4.25g正硅酸乙酯(TEOS)和0.488g磷酸三乙酯(TEP)，繼續(xù)攪拌12小時(shí)(整個(gè)攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進(jìn)行的)。然后將反應(yīng)溶液放入水熱反應(yīng)釜中，于100℃反應(yīng)48小時(shí)，倒入培養(yǎng)皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在600℃煅燒5小時(shí)，即得生物活性玻璃材料，材料孔徑6.7nm，BET比表面積255m2/g。
體外活性實(shí)驗(yàn)將M58S粉體浸泡在模擬體液SBF(Simulated BodyFluid)中(SBF含有與人體血液相同的離子和離子團(tuán)濃度)。條件為0.3g材料放入80ml模擬體液中，37.5℃恒溫震蕩。分別浸泡3，6，12，24小時(shí)。體外活性的結(jié)果見圖5、圖6。
藥物緩釋性能研究1、藥物的裝載0.5g介孔生物活性玻璃粉體放入50ml 10mg/ml的慶大霉素溶液中，攪拌24小時(shí)。
2、藥物的釋放實(shí)驗(yàn)50mg裝載了藥物的粉體或0.1g、直徑6mm、高2.4mm的塊體放入10ml溶液(水、SBF、不同pH值的鹽酸溶液)中，經(jīng)過的一定的時(shí)間抽提出溶液用紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試同時(shí)進(jìn)行換液。釋放時(shí)間從1小時(shí)到30天。
藥物緩釋的性能見圖7-圖11。
實(shí)施例2M68S的合成和體外活性實(shí)驗(yàn)合成實(shí)驗(yàn)將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調(diào)至-1，攪拌溶液澄清為止。然后加入1.763g硝酸鈣(CN)，待硝酸鈣完全溶解后，滴加入4.25g正硅酸乙酯(TEOS)和0.416g磷酸三乙酯(TEP)，繼續(xù)攪拌12-24小時(shí)(整個(gè)攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進(jìn)行的)。然后將反應(yīng)溶液放入水熱反應(yīng)釜中，于100℃反應(yīng)48小時(shí)，在倒入培養(yǎng)皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在600℃煅燒5小時(shí)，即得。體外活性實(shí)驗(yàn)同實(shí)施例1。
實(shí)施例3M77S的合成和體外活性實(shí)驗(yàn)合成實(shí)驗(yàn)將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調(diào)至-1，攪拌溶液澄清為止。然后加入0.938g硝酸鈣(CN)，待硝酸鈣完全溶解后，滴加入4.25g正硅酸乙酯(TEOS)和0.368g磷酸三乙酯(TEP)，繼續(xù)攪拌12-24小時(shí)(整個(gè)攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進(jìn)行的)。然后將反應(yīng)溶液放入水熱反應(yīng)釜中，于100℃反應(yīng)48小時(shí)，在倒入培養(yǎng)皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在600℃煅燒5小時(shí)，即得。材料孔徑7.2nm，BET比表面積476m2/g。
體外活性實(shí)驗(yàn)同實(shí)施例1。
實(shí)施例4MCS的合成和體外活性實(shí)驗(yàn)合成實(shí)驗(yàn)將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調(diào)至-1，攪拌溶液澄清為止。然后加入4.818g硝酸鈣(CN)，待硝酸鈣完全溶解后，滴加入4.25g正硅酸乙酯(TEOS)，繼續(xù)攪拌12小時(shí)(整個(gè)攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進(jìn)行的)。然后將反應(yīng)溶液放入水熱反應(yīng)釜中，于100℃反應(yīng)48小時(shí)，在倒入培養(yǎng)皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在600℃煅燒5小時(shí)，即得。
體外活性實(shí)驗(yàn)同實(shí)施例1。
實(shí)施例5MC2S的合成和體外活性實(shí)驗(yàn)合成實(shí)驗(yàn)將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調(diào)至-1，攪拌溶液澄清為止。然后加入9.635g硝酸鈣(CN)，待硝酸鈣完全溶解后，滴加入4.25g正硅酸乙酯(TEOS)，繼續(xù)攪拌12小時(shí)(整個(gè)攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進(jìn)行的)。然后將反應(yīng)溶液放入水熱反應(yīng)釜中，于100℃反應(yīng)48小時(shí)，在倒入培養(yǎng)皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在550℃煅燒5小時(shí)，即得。
體外活性實(shí)驗(yàn)同實(shí)施例1。
實(shí)施例6MC3S的合成和體外活性實(shí)驗(yàn)合成實(shí)驗(yàn)將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調(diào)至-1，攪拌溶液澄清為止。然后加入14.426g硝酸鈣(CN)，待硝酸鈣完全溶解后，滴加入4.25g正硅酸乙酯(TEOS)，繼續(xù)攪拌12小時(shí)(整個(gè)攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進(jìn)行的)。然后將反應(yīng)溶液放入水熱反應(yīng)釜中，于100℃反應(yīng)48小時(shí)，在倒入培養(yǎng)皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在550℃煅燒5小時(shí)，即得。
體外活性實(shí)驗(yàn)同實(shí)施例1。
實(shí)施例7M58S及M77S的藥物緩釋性能研究1、藥物的裝載0.5g介孔生物活性玻璃粉體放入50ml 10mg/ml的慶大霉素溶液中，攪拌24小時(shí)。
2、藥物的釋放實(shí)驗(yàn)50mg裝載了藥物的粉體或0.1g、直徑6mm、高2.4mm的塊體放入10ml溶液(水、SBF、不同pH值的鹽酸溶液)中，經(jīng)過的一定的時(shí)間抽提出溶液用紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試同時(shí)進(jìn)行換液。釋放時(shí)間從1小時(shí)到30天。
權(quán)利要求
1.一種鈣硅基有序介孔生物活性玻璃，其特征在于空間群結(jié)構(gòu)是六方結(jié)構(gòu)，孔徑范圍5-10nm，BET比表面積為200-600m2/g，其SiO2∶CaO∶P2O5摩爾比為1∶0。42-3∶0-0.1。
2.按權(quán)利要求1所述的一種鈣硅基有序介孔生物活性玻璃，其特征在于其形貌呈蠕蟲狀，長(zhǎng)1-8μm，直徑100-300nm。
3.一種鈣硅基有序介孔生物活性玻璃的制備方法，其特征在于包括在硅源、磷源、鈣源、表面活性劑和酸在水浴中進(jìn)行反應(yīng)后，再以水熱法進(jìn)行熱處理兩個(gè)步驟。
4.按權(quán)利要求3所述的其特征在于一種鈣硅基有序介孔生物活性玻璃的制備方法，其特征在于硅源為正硅酸乙酯(TEOS)和正硅酸甲酯(TMOS)；磷源為磷酸三乙酯；鈣源為可溶性鈣鹽；表面活性劑為非極性的三嵌段共聚物；酸為鹽酸或硝酸并預(yù)先配制成1-5mol/l的酸溶液。
5.按權(quán)利要求3或4所述的其特征在于一種鈣硅基有序介孔生物活性玻璃的制備方法，其特征在于在水浴中進(jìn)行反應(yīng)步驟為(1)將酸溶液和去離子水混合，調(diào)節(jié)pH值在-1～1；(2)將表面活性劑溶于上述溶液中，攪拌至澄清，表面活性劑的濃度為0.2-0.3g/ml；(3)將硅源、鈣源和磷源加入上述溶液中，在恒溫水浴中攪拌12-24小時(shí)。
6.按權(quán)利要求3或4所述的其特征在于一種鈣硅基有序介孔生物活性玻璃的制備方法，其特征在于水熱發(fā)進(jìn)行熱處理的步驟為(1)將攪拌所得的溶液放入水熱反應(yīng)釜中，在90-110℃下反應(yīng)24-48小時(shí)；(2)將所得懸濁液于60-100℃下進(jìn)行干燥成粉體；(3)干燥完成后，將新粉體在馬弗爐中于550-700℃溫度下煅燒3-5小時(shí)，即得有序介孔生物玻璃粉體。
7.按權(quán)利要求1或2所述的一種鈣硅基有序介孔生物活性玻璃用于骨缺損的再生修復(fù)材料，生物涂層，功能性蛋白、藥物的載體以及組織工程支架材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈣硅基有序介孔生物活性玻璃及其制備方法和應(yīng)用，屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。其特征在于采用鈣源、磷源、硅源為原料，以三嵌段共聚物為表面活性劑，在20－45℃的水浴條件下反應(yīng)，并在90－110℃水熱條件下進(jìn)一步反應(yīng)，然后不經(jīng)過任何處理直接進(jìn)行干燥。干燥完后，將所得材料在550℃－700℃煅燒除去表面活性劑，即得有序介孔生物活性玻璃。與傳統(tǒng)的溶膠凝膠法制備的生物活性玻璃相比，本發(fā)明制備的得到的生物活性玻璃具有高度有序的六方孔道結(jié)構(gòu)，孔徑均一，比表面積大的特點(diǎn)。體外活性實(shí)驗(yàn)表明此種材料具有比傳統(tǒng)的生物玻璃更強(qiáng)的形成類骨羥基磷灰石的能力和高效藥物緩釋能力，是一類具有生物活性的藥物緩釋載體。
文檔編號(hào)C03C3/097GK1785862SQ20051003078
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者常江, 夏煒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所