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用的制作方法
技術領域：
本發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用，屬于生物材料領域，具體涉及具有相同孔道結構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用。
背景技術：
Ca、Si、P體系的生物活性無機材料是一類能在材料界面上引發特殊生物反應的材料，其能導致組織和材料之間形成化學鍵合。自從1969年美國佛羅里達大學的Hench教授首先發現了Na2O-CaO-SiO2-P2O5系列玻璃具有與人體骨組織產生化學鍵合后(L.L.Hench，R.J.Splinter，W.C.Allen and T.K.Greenlee，J.Biomed.Mater.Res.，2，117-141(1971))，其他研究人員進一步在成分和合成制備方法上進行了研究，開發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，填充材料以及生物涂層，藥物載體等領域。其部分產品已經進入臨床，并取得很好的治療和修復效果。
隨著組織工程及生物材料的發展，研究人員們注意到材料本身的一些微結構包括粉體的顆粒大小、形狀、介觀結構，塊體材料表面性質，支架材料的表面化學及介觀結構特性對細胞的黏附，鋪展和基因表達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，均一可調的孔徑和規整的孔道排列，所以其在生物礦化、生物催化、藥物載體等領域可能產生很重要的作用。
雖然人們已經關注到這些問題，但是關于這一方面的研究都不多。現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，介孔二氧化鈦對體外生物活性的影響。2004年，Yan等人報道了用溶劑揮發自組裝法制備出了有序介孔生物活性玻璃，并對其體外羥基磷灰石的形成能力進行了初步評價。但是由于在合成過程中使用了大量有機溶劑(如乙醇等)，從而使反應過程比較復雜，并且大量的使用有機溶劑也造成了不必要的浪費。
因此，在現有情況下，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構的生物材料，以便能從微觀結構去研究微觀結構對體外生物活性，細胞及體內組織的影響，從而可以從細胞及分子水平去研究Ca、Si、P類生物無機材料對人體成骨細胞增殖、分化、新骨形成和鈣化及重建具有相關生理機能的人體骨組織。
此外，由于在骨外科手術中存在骨感染問題。許多治療手段都是為了防止進一步的感染，但是也會導致某些組織功能的喪失，也會給病人帶來額外的痛苦。目前，在手術過程中進行局部藥物釋放治療成為一種很有效的方法。很多科學家都在研究一種理想的可控藥物釋放載體。與傳統方法相比，可控藥物緩釋載體具有高的藥物裝載能力、持續的治療作用、對病人來更方便、毒性更低。其目的就是在藥物的作用濃度范圍內延長藥物的治療效果。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合材料、有機無機骨水泥等。但是他們都有非常明顯的缺點。聚酯類載體沒有生物活性，降解副產物具有酸性會引起局部炎癥；復合載體及無機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、骨修復過程中不僅能防止骨科感染問題，而且能與骨產生牢固的鍵合。
發明內容
本發明的目的是合成一類具有有序的較大孔徑，任意調節組成的多組分介孔生物活性玻璃，其空間群結構是六方結構，孔徑范圍5-10nm，BET比表面積為200-600m2/g，其熱穩定性高于550℃，拓寬了介孔材料的種類和用途。
本發明中上述材料是多組分的組成可調的非晶材料。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。
本發明中上述材料的形貌為粉末，呈蠕蟲狀，長1-8μm，直徑100-300nm。
本發明中上述材料與文獻中報道的含有介孔的生物活性玻璃或硅酸鈣材料是不同的。文獻中報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構缺陷所導致的，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構，且對其孔道也無法控制。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，結構規整，熱穩定性高的特點。
本發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，即首先在水浴中進行反應然后用水熱法進行熱處理。
其特征在于該方法包括以下幾個步驟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(簡稱P123)、Pluronic F127(簡稱F127)、Pluronic P65(簡稱P65)的商品。酸主要用的為鹽酸或硝酸，預先配制成1-5mol/l的酸溶液。
2、首先將酸溶液和去離子水混合，調節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。將攪拌所得的溶液放入水熱反應釜中，在90-110℃下反應24-48小時，然后將所得懸濁液直接倒入培養皿中于60-100℃下進行干燥。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，即得有序介孔生物玻璃粉體。
在本發明中，獨特的特點在于本發明中，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，還作為反應物參與了最終產物的形成。
本發明制備的材料經過體外活性實驗(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，形態類似，因而能很好地符合骨組織工程的要求。
本發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為本發明實施例1制備的生物活性玻璃，58S為采用傳統的溶膠凝膠法制備的SiO2含量占58％的生物活性玻璃，結果表明M58S的藥物裝載能力是58S的近4倍。
表1
本發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，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。
本發明制備的材料，其藥物緩釋效果隨著材料組成、結構以及溶液的pH值和無機離子的濃度變化而變化，從而能夠通過條件的變化達到釋放速度的控制。
圖1為M58S粉體煅燒前后的小角XRD衍射圖譜，圖上3個明顯的衍射峰，分別代表為六方結構的(100)、(110)和(200)晶面，表征該材料具有一維六方孔道結構。
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構。
圖3為M58S粉體的N2吸附脫附曲線圖(內為孔徑分布圖)，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小時后的掃描電鏡照片，表明材料經過12小時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，能在短時間內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行藥物釋放的結果，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行藥物釋放的結果，表明以塊體形式為藥物載體時，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中進行藥物釋放的結果，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中進行藥物釋放的結果，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。
具體實施例方式
下面結合實例對本發明作進一步說明，但不僅限于實施例。
實施例1M58S的合成、體外活性實驗和藥物釋放性能研究合成實驗將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調至-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)，繼續攪拌12小時(整個攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進行的)。然后將反應溶液放入水熱反應釜中，于100℃反應48小時，倒入培養皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在600℃煅燒5小時，即得生物活性玻璃材料，材料孔徑6.7nm，BET比表面積255m2/g。
體外活性實驗將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。體外活性的結果見圖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。
2、藥物的釋放實驗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，經過的一定的時間抽提出溶液用紫外可見分光光度計進行測試，測試同時進行換液。釋放時間從1小時到30天。
藥物緩釋的性能見圖7-圖11。
實施例2M68S的合成和體外活性實驗合成實驗將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調至-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)，繼續攪拌12-24小時(整個攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進行的)。然后將反應溶液放入水熱反應釜中，于100℃反應48小時，在倒入培養皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在600℃煅燒5小時，即得。體外活性實驗同實施例1。
實施例3M77S的合成和體外活性實驗合成實驗將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調至-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)，繼續攪拌12-24小時(整個攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進行的)。然后將反應溶液放入水熱反應釜中，于100℃反應48小時，在倒入培養皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在600℃煅燒5小時，即得。材料孔徑7.2nm，BET比表面積476m2/g。
體外活性實驗同實施例1。
實施例4MCS的合成和體外活性實驗合成實驗將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調至-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)，繼續攪拌12小時(整個攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進行的)。然后將反應溶液放入水熱反應釜中，于100℃反應48小時，在倒入培養皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在600℃煅燒5小時，即得。
體外活性實驗同實施例1。
實施例5MC2S的合成和體外活性實驗合成實驗將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調至-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)，繼續攪拌12小時(整個攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進行的)。然后將反應溶液放入水熱反應釜中，于100℃反應48小時，在倒入培養皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在550℃煅燒5小時，即得。
體外活性實驗同實施例1。
實施例6MC3S的合成和體外活性實驗合成實驗將1.5g表面活性劑P123溶于60mlHNO3溶液中，pH值調至-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)，繼續攪拌12小時(整個攪拌過程都是在35℃的水浴條件下進行的)。然后將反應溶液放入水熱反應釜中，于100℃反應48小時，在倒入培養皿中于60℃干燥。完成后，于馬弗爐中在550℃煅燒5小時，即得。
體外活性實驗同實施例1。
實施例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。
2、藥物的釋放實驗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，經過的一定的時間抽提出溶液用紫外可見分光光度計進行測試，測試同時進行換液。釋放時間從1小時到30天。
權利要求
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構是六方結構，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行反應后，再以水熱法進行熱處理兩個步驟。
4.按權利要求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先配制成1-5mol/l的酸溶液。
5.按權利要求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行反應步驟為(1)將酸溶液和去離子水混合，調節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。
6.按權利要求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，其特征在于水熱發進行熱處理的步驟為(1)將攪拌所得的溶液放入水熱反應釜中，在90-110℃下反應24-48小時；(2)將所得懸濁液于60-100℃下進行干燥成粉體；(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，即得有序介孔生物玻璃粉體。
7.按權利要求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用，屬于生物醫用材料領域。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，并在90－110℃水熱條件下進一步反應，然后不經過任何處理直接進行干燥。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。與傳統的溶膠凝膠法制備的生物活性玻璃相比，本發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構，孔徑均一，比表面積大的特點。體外活性實驗表明此種材料具有比傳統的生物玻璃更強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C03C3/097GK1785862SQ20051003078
公開日2006年6月14日 申請日期2005年10月27日 優先權日2005年10月27日
發明者常江, 夏煒 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所