生物玻璃

生物玻璃及其复合材料研究进展1生物玻璃简介2生物玻璃的生物活性3生物玻璃的制备方法4生物玻璃的应用5生物玻璃复合材料6生物玻璃及其复合材料发展趋势展望主要内容1.1生物玻璃的定义生物活性玻璃是指能够满足或达到特定生物、生理功能的特种玻璃。1.2生物玻璃的特点生物玻璃是无机生物医用材料中的一个重要分支。（1）具有良好的生物相容性，没有毒副作用；（2）容易与周围的骨骼形成紧密牢固的化学键合，或经生物降解形成新的骨骼成分（由于它们的化学组成与生物体的自然骨骼相似）；（3）生物玻璃的力学性能较差，限制其应用。1生物玻璃简介1.3生物玻璃目前的地位（1）生物玻璃材料的研究与临床应用己成为材料学、医学以及生物化学等学科的热点，愈来愈受到人们的重视；（2）特别是一些高强度、可切削生物微晶玻璃的开发和内辐射医用玻璃微球、玻璃基骨水泥和药物载体以及具有铁磁发热等功能性的生物玻璃材料的开发成功，更是给人类医疗健康带来了又一突破性的进展。广泛开展玻璃基生物材料的研究具有重要的理论和应用意义。1.4生物玻璃的发展简介（1)开始研究：1969年，Hench等人首先发现了Na2O-CaO-SiO2-P2O5系统中的一定组成的玻璃能与活体骨形成强的机械结合。(2)研究过程：采用手段：动物实验或模拟实验动物实验显示：生物玻璃植入动物体内后与其他植入材料（如：不锈钢，聚甲基丙烯酸甲酯或氧化铝）形成显著对比，它能引起形成一层薄的，将材料与骨分开的纤维包膜。X-ray分析显示：其上面形成了一层结晶羟基磷灰石层（HA）。透射电子显微镜（TEM）显示：骨和植入物结合6周后的界面处，出现了正常的骨细胞（造骨细胞），造骨细胞产生了与正在生长的HA层结合的胶原纤维。在体外含有钙离子和磷酸盐离子的溶液中实验表明：在植入物表面形成的HA层是由于结晶HA通过玻璃和溶液中离子不均匀成核和生长，其结合界面的机械强度足够高，以至于当承载时，骨或玻璃都不会率先断裂，界面也不会衰退。金刚石切片机分析表明：在超微结构，纳米尺寸级别，HA晶体同胶原纤维的紧密穿插。（3)研制成功：标志：美国佛罗里达大学Hench教授等人1971年开发成功45S5玻璃。45S5生物玻璃的组成：Na2O24.5wt%，CaO24.5wt%，P2O56.0wt%，SiO245wt%。制备思路：他们在普通的Na2O-CaO-SiO2玻璃系统中加入6wt%的P2O5，使得材料在元素成分上与自然人体骨骼有所接近，这种材料不仅对人体无害，而且由于P2O5的加入，增加了生物活性。他们把这种材料叫做“生物玻璃”（Bioglass），从而揭开了玻璃和玻璃陶瓷材料作为生物体材料的序幕。优点：对人体无害，与骨组织亲和性也好，而且还能够与周围的骨骼组织牢固的结合在一起。应用情况：它的一些产品如牙科所用的ERMI和PerioGLAS粉、中耳骨、骨骼损伤修补等已进入市场或在临床应用中。缺点：力学性能不够理想。不能直接应用于人体的承受载荷的部位，而主要用于骨填充材料和生物涂层。(4)生物玻璃与自然骨的结合机理Na2O-CaO-SiO2-P2O5系统内有些组分的玻璃(如商品名为45S5的玻璃)植入生物体内后能够与自然骨牢固地结合在一起，在体液环境中，从其表面溶出Na+，玻璃表面就生成富SiO2凝胶层。生物玻璃溶解形成表面带负电荷的Si－OH，与不同种类的蛋白质通过氢键和离子胺键(－Si－O－H3N+－)结合形成高密度的蛋白吸附，硅溶胶层和在其表面形成的碳酸羟基磷灰石(Ca10(PO4,CO3)6(OH)2，hydroxyl-carbonate-apatite，HCA)层具有高表面积，适合吸附大量的生物分子，从而促进细胞外响应。相比于带较低负电荷量的硅溶胶层，HCA层表面能吸附更多的生物分子。五步系列表面反应：Hench在对生物玻璃的大量溶液实验积累了大量数据后，总结出生物玻璃在人体溶液中发生五步表面反应。(A)玻璃中Na+和K+离子等与溶液中H+以及H3O+迅速交换，Si-O-Na++H++OH-→Si-OH++Na++OH-(B)Si-O-Si键被溶解打断，在界面处形成许多Si-OH；(C)Si-OH的聚合反应在玻璃表面形成一富SiO2的、多孔胶体层Si-OH+OH-Si→Si-O-Si+H2O(D)Ca2+和PO43-或来源于玻璃体内或来源于溶液中，在富SiO2胶体层上聚集形成CaO-P2O5无定形相层；(E)随着OH-和CO32-从溶液中引进，CaO-P2O5无定形相层将转变成含碳的羟基磷灰石（HCA）多晶体。（5)成骨细胞在生物活性玻璃表面快速增殖与分化的机理：是两种机制协同作用的结果:(A)一方面生物玻璃溶解导致局部硅离子浓度升高，从而促进成骨细胞新陈代谢的细胞内部响应；(B)另一方面，各种纤维，随着Ca2+及P(Ⅴ)从玻璃中溶出，并在骨胶原纤维周围以羟基磷灰石晶体的形态析出，生物活性玻璃与活骨二者就能自然地结合在一起了。(A)Ceravital微晶玻璃:1973年，西德的Bromer等人通过大幅度减少碱金属氧化物的含量，即减少钾、钠含量，增加钙、磷含量并应用玻璃的微晶技术，成功制备了Na2O-K2O-MgO-CaO-P2O5-SiO2系统的微晶生物玻璃，称为Ceravital微晶玻璃，又称赛拉维托玻璃。基本成分：Na2Owt4.8%，K2Owt0.4%，MgOwt2.9%，CaO34.0wt%，P2O5wt11.7%，SiO2wt46.2%。特点：生物活性低于45S5玻璃，但其机械性能却有了较大的提高，可以应用于受力不明显的骨缺损的填充，如颌骨的修补，也可作为骨水泥材料应用于临床上。(6)发展(B)A-W微晶玻璃:1982年，日本京都大学的小久宝正等研制成功；组成：含38wt%左右的磷灰石和34wt%左右硅灰石。优点：(a)因不含碱金属氧化物，所以它的机械性能较好，是当前力学性能最好的医用微晶玻璃材料，各项力学性能均接近人骨，此外，它与骨骼组织的结合强度也较高。(b)由于β—硅灰石以针状形式析出，起到增强作用，使其具有很高的机械强度，抗弯强度可达157±8MPa，抗压强度可达1060±60MPa，高于自然骨的强度，是目前发现的唯一一种植入人体内后，其断裂不发生在界面而是发生在骨内部的生物材料。据在模拟体液中进行的实验表明，这种材料即使在体内连续不断地承受65MPa的弯曲应力，也可维持10年以上不致损坏。(c)这种微晶玻璃中析出的针状硅灰石晶体呈无规则排列，机械加工性能也很好。应用:目前，A-W微晶玻璃已用作人工脊椎、人工脊椎间板、长管骨、长骨固定物、骨修补材料和骨髓插栓等。仅在日本，至2001年为止，A-W(A-W生物活性玻璃陶瓷的商用制品)作为人工脊椎骨、椎间盘、骼骨冠及空隙填充物等人工骨替代和修复材料就已经达到了6万多例成功的临床应用。(C)BGC人工骨:小久宝正在A-W微晶玻璃中添加少量Al2O3、B2O3研制成。(D)可加工生物玻璃陶瓷（Bioverit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，这要求生物材料具有良好的可加工性。成功：1983年，Holland等研制成功了商品名为Bioverit的可切削生物微晶玻璃。组成：其主晶相是磷灰石和金云母晶体（（Na,K）Mg2(AlSiO10)F2），可由SiO2-Al2O3-MgO-Na2O-K2O-F-CaO-P2O5系统的磷硅酸盐玻璃，经过一定的热处理工艺后得到。特点：由于金云母晶体是生物惰性的，只有当与磷灰石晶体同时析出时才能显示出生物活性，因此，如何使金云母晶体和磷灰石晶体以适当的比例析出是至关重要的。切削加工过程中有可能使微晶玻璃产生微裂纹，这在一定程度上限制了该材料在临床上的应用。可加工生物玻璃陶瓷的改进：黄占杰等：在可加工玻璃陶瓷基础上加入B2O3、Al2O3、P2O5等成分，成功降低了其熔制温度。东北大学孙祥云等向可加工玻璃陶瓷中引入硅灰石相及氧化锆陶瓷粉，提高了其强度；（E）磷酸盐多孔微晶玻璃定义：是一种以钠离子型快离子导体（Nasicon晶体）为骨架的多孔功能材料，兼有多孔材料和功能晶体的性质。研制成功：1989年由日本阿部良弘等研制成功。主要成分：CaTi4(PO4)6（骨架）应用：在固相催化、温度传感器方面得到广泛的研究。(F)可铸造玻璃陶瓷：为了修复缺损的牙齿，恢复其形态和功能，孙祥云还开发研制出一系列可铸造玻璃陶瓷，这种材料类似天然牙齿牙釉质，在口腔中性能稳定，生物相容性好，可逼真再现牙齿形态。(G)新型结晶化玻璃：最近，小久宝等研制出的，其中含有大量Fe2+、Fe3+离子，热处理后，得到以CaO-SiO2-B2O3-P2O5系玻璃相和硅灰石为模的结晶玻璃，其中分散着强磁性的Fe3O4粒子，在生理环境中，这些粒子表面能形成磷灰石层，而且也可与骨质结合。(H)多种普通的硅酸盐玻璃:S.F.Hulbert等人对多种普通的硅酸盐玻璃进行了动物实验。他们把玻璃材料植入鼠皮下，经过一段时间的观察和与实验，结果表明，所有的玻璃都对鼠无危害作用，甚至含有氧化铅，氧化钡等重金属元素的氧化物时，同样安全。2.1生物玻璃活性的定义生物玻璃的生物活性在于，在人体液中，其表面发生一系列反应，最后在表面形成一层与人体骨骼无机相相似的羟基磷灰石（HA）而与人体硬或软组织如胶原蛋白和细胞紧密联结的能力。2.2生物活性度生物活性不同的生物活性材料，其键合机理及键合速度差异显著，这主要归因于材料的活性度不同。生物活性度的研究有利于拓展生物活性材料在临床上广泛而有目的的应用。据此，Hench将生物活性材料按其生物活性度的高低分成两个等级：Ａ级生物活性材料:具有高活性度，不仅能与骨发生键合，而且能与软组织发生键合的材料；Ｂ级生物活性材料:具有低生物活性度，只能与骨发生键合的材料。2生物玻璃的生物活性2.3生物玻璃具有生物活性的原因生物玻璃的活性在于其在体内能与自然骨、软组织形成化学键合。作用机制：在玻璃表面溶出Na+、Ca2+、P(Ⅴ)等离子，玻璃表面形成一富硅的凝胶层，骨细胞在增殖过程中，骨胶原纤维可以进入凝胶层内。在此附近，由于钙磷的富集，同时生成HCA，这种晶体在与周围自然骨延伸过来的新生骨相遇时，形成牢固的化学键，由于表面的HCA与骨胶原纤维能形成很强的化学键，所以生物玻璃也能通过这一HCA和骨胶原纤维层与软组织形成牢固的化学键，从而具有活性。2.4生物玻璃生物活性的研究方法原因:理想的生物材料必须具有良好的生物活性和生物相容性，能被有机体接受，植入后无不良反应，因此需要研究其生物活性.采用方法:模拟人体实验→动物实验→人体临床实验模拟人体实验和动物实验必须达到足够的数量,积累大量的生物性能数据，然后才能进行人体临床实验。生物玻璃生物活性的研究方法:通常采用InVitro实验、InVivo实验和细胞培养实验。(1)生物玻璃的模拟人体溶液实验生物玻璃的模拟人体溶液实验的常用溶液:Tris缓冲溶液和SBF#9溶液。Tris(hydroxymethyl-aminomethane，三羟甲基氨基甲烷)缓冲溶液:是由Tris晶粒溶解于非常稀的盐酸水溶液中制成，最后调节pH为7.25，与人体的体液pH相近。分子式为H2HC(CH20H)3,它是Hench为了检验Bioglass活性而开发的。由于其组成过于简单，与人体体液浓度相差较大，目前已基本上不被使用。SBF#9溶液:是pH为7.25的缓冲溶液，溶液中各离子浓度与人体体液中离子浓度很接近(表3)，已被广泛地应用于各种材料的生物活性实验中。是由日本的小久保正教授等研制而成的。(2)生物玻璃的动物实验(InVivo体内实验)许多生物玻璃材料已有十多年的临床应用历史，极高的临床成功率要归功于大量生物玻璃的动物实验。常用实验动物:鼠、兔、猴、猪和狗等实验结果：这些动物的实验都表明，当生物玻璃尤其是Bioglass和A/W生物微晶玻璃在植入体内一定时间后，既能表现出骨的诱导性和骨的形成性，提供一个有生物相容性的骨形成界面，而且还能够提供一个被在手术区游离的成骨干细胞定植的生物活性表面，正是这种既能结合骨又能结合软