專利名稱：一種含硼納米介孔大孔生物活性玻璃、其制備方法及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種含硼的納米介孔大孔生物活性玻璃材料及其制備方法，屬于生物醫用材料領域。
背景技術：
介孔生物活性玻璃(MBG)，作為一種生物活性材料，近年來引起了極大的關注。 介孔生物活性玻璃較非介孔生物活性玻璃(NBG)—個顯著的特點，是它具有顯著提高的比表面積和納米孔體積，從而得到了更優的磷灰石礦化能力和降解性。我們最近證明， CaO-P2O5-SiO2系統MBG較NBG能提高體外和體內的生物活性及降解、載藥能力。作為一種生物活性材料，MBG在骨組織工程和藥物載體應用中顯出巨大潛力。出于這個原因，開發一種具有最佳的成分和納米結構的MBG十分有意義。此外，適當的載藥可提高MBG的成骨能力，在骨組織工程中應用具有較大潛力。硼是人體的微量元素之一，在許多生命過程，包括胚胎、骨骼的生長和維護，免疫功能和精神運動技能中起著重要的作用。特別是在絕經后的婦女，硼可能刺激荷爾蒙，從而通過刺激雌激素的分泌達到模擬雌激素的作用。目前，雌激素治療是防止絕經后骨質喪失而導致的骨質疏松和骨密度降低引起的骨折的最有效的方法之一。因此，研究人員對載有硼的生物活性材料的研制在骨骼健康及再生領域成為研究的熱點。目前為止，關于含硼的介孔玻璃支架用于骨組織工程的研究未見報道。在骨組織工程中，生長因子如骨形態發生蛋白(BMP-2和BMP-7)被載入支架，以刺激細胞分化和組織的生長。然而，骨形成蛋白是相當昂貴的，并必須在非常溫和的條件下與支架結合以防止其生物活性的損失。為克服這個弊端，一種替代的方法是通過成骨細胞分化藥劑用來刺激骨骼生長。地塞米松(DEX)是一種傳統的成骨藥物，用于細胞培養實驗，誘導細胞增殖、成熟和成骨細胞的細胞外基質礦化。此前，地塞米松被加載聚(乳酸-乙醇酸， PLGA)微球，PLGA和聚己內酯(PCL)為骨組織工程支架應用。這些聚合物作為骨修復材料具有骨傳導性不足的缺點，總是需要加入生物活性的無機材料制備成為復合材料。而傳統生物活性陶瓷和玻璃(羥基磷灰石，磷酸三鈣，生物玻璃)支架缺乏高效的載藥能力。
發明內容
本發明的第一個目的在于提供一種含硼的納米介孔和大孔復合生物活性玻璃材料；
本發明的第二個目的在于提供上述生物活性玻璃材料的制備方法； 本發明的第三個目的在于提供上述生物活性玻璃材料的用途。為實現上述目的，本發明提供的生物活性玻璃材料具有300 μ m-500 μ m的大孔以及約5nm的介孔，其含硼量為09Γ10%(大于0)。其中大孔的孔隙率為78%_90%，介孔孔體積在0. 21-0. 33cm3/g,孔徑約為5匪。上述玻璃材料的基體可以是現有的可以用于支架的任何玻璃材料。
本發明生物活性玻璃材料的大孔適合細胞生長，而納米介孔則適合用于載藥控制藥物的釋放，同時可釋放硼離子，可以作為載體或醫用支架。例如可以用作藥物或者基因載體，用于裝載地塞米松、生長因子，又不限于這些藥物，可作為藥物緩釋載體長時間有效緩釋，應用于骨缺損修復填充材料或者組織工程的三維支架。本發明生物活性玻璃材料是通過在制備介孔生物活性玻璃的過程中，用B033 一取代部分Si044 —，通過凝膠溶膠法的制備方法合成出含硼的有序介孔生物活性玻璃。該方法包括以下幾個步驟
(1)將模板劑、硼源、鈣源、磷源、硅源溶解于乙醇，18°C_45°C下攪拌12-48h，獲得凝膠；硼的含量對于后來的介孔結構具有直接的影響；
(2)將高分子海綿浸入獲得的凝膠10-60分鐘，將海綿轉入另一容器，干燥12-4 ；
(3)待干燥后，60(T80(TC煅燒3-8小時，得到含硼的納米介孔和大孔復合生物玻璃材料。上述方法中，步驟2)可重復2-5次。上述方法中模板劑可以是為非極性的三嵌段共聚體模板劑，主要品名為 E020P070E020 (P123)，E0106P070E0106 (F127)和 E039B047E039 (B50 - 6600)，但不限于這幾種，作為結構導向劑。EO是聚環氧乙烷，PO是聚環氧丙烷，BO是聚丁烯氧化。模板劑按照與硼源、鈣源、硅源、磷源總量的重量比1:廣3添加。上述方法中，所述硼源優選為硼酸三丁酯，所述硅源優選為正硅酸乙酯(TE0S)、所述鈣源優選為Ca(NO3)2·4Η20或CaCl2，所述磷源優選為磷酸三乙酯。上述方法中，所述的硼源、鈣源、磷源、硅源的摩爾比優選為(0-10) :(10-30) (1-10)(50-90)。上述方法中所述乙醇按照溶質重量的壙16倍添加。上述方法中的含硼納米介孔大孔生物活性玻璃的制備方法，干燥的方法為通過加熱干燥或蒸發自組裝。上述方法中的制備的含硼納米介孔大孔生物活性玻璃，硼的含量在0%_10%之間。高分子海綿如聚亞氨酯海綿具有不同的孔密度(20ppi-80ppi)用于獲得大的孔 (大孔徑幾百微米)。非離子型嵌段聚合物合作模板是用于生產介孔結構(介孔若干納米)。本發明制備的B-MBG除了具有大孔(30(^111-50(^111)和有序介孔(5納米)之外， 還具有釋放硼和裝載和緩釋藥物的能力。本發明使用非離子型嵌段聚合物合作模板和高分子海綿，用B033—取代部分Si044 —，此種方法可通過調整浸入的次數(2-5次)及孔徑的大小 (300 μ m-500 μ m)獲得可控的孔隙率(78%_90%)。這些多孔特性棚架有利于組織長入和營養傳輸。在體外支架能夠保持它們的結構完整性。在骨組織工程的應用中，由于這些支架的主要作用是提供初始細胞機械支持，他們必須強大到足以處理的細胞培養。在這方面，B-MBG的棚架能夠滿足作為骨組織工程中細胞載體的要求。同時，由于生物材料的介孔結構對裝載和運輸藥物十分重要，通常表面積為 200-350 m2/g、介孔為約5nm可提供吸收生物活性分子如藥物、抗生素及生長因子。當硼含量從0至10%不等時，B-MBG支架具有194465 m2/g的高的表面積，適合作為藥物和生長因子的載體。
圖1掃描電鏡拍攝的本發明實施例1、2制備的樣本的顯微形貌圖，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。其中圖a、b、c分別是0B-MBG、5B-MBG以及10B-MBG。圖2小角度X衍射觀察實施例1、2制備的含硼介孔玻璃，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。OB-MBG代表同條件制備的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表實施例 1 ； 10B-MBG代表實施例2。圖3寬角度X衍射觀察實施例1、2制備的含硼介孔玻璃，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。OB-MBG代表同條件制備的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表實施例 1 ； 10B-MBG代表實施例2。圖4掃描電鏡拍攝的本發明實施例2、3、4制備的樣本的顯微形貌圖。a孔隙率為 90%，b孔隙率為86% c孔隙率為78%。圖5透射電鏡觀察實施例2，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。a同條件制備的不含硼的介孔生物玻璃材料；b實施例2。圖6實施例1、2放入人體模擬體液(SBF)中，0-3天B，Ca，Si，P離子的釋放，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。OB-MBG代表同條件制備的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表實施例1 ； 10B-MBG代表實施例2。圖7實施例1、2放入人體模擬體液(SBF)中之前和之后掃描電鏡與能譜分析的比較，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。OB-MBG代表同條件制備的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表實施例1 ； 10B-MBG代表實施例2。圖8硼含量對藥物的裝載和釋放的影響。OB-MBG代表同條件制備的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表實施例1 ； 10B-MBG代表實施例2。a不同硼含量的地塞米松裝載能力。縱坐標代表DEX的裝載效率，橫坐標代表3種不同硼含量的支架。b不同硼含量的地塞米松的釋放。縱坐標代表DEX的累積釋放百分比，橫坐標代表釋放時間。圖9大孔孔隙度對藥物的裝載和釋放的影響。90代表大孔孔隙率為90%，86代表大孔孔隙率為86%，78代表大孔孔隙率為78%。a不同大孔孔隙率的地塞米松裝載能力。縱坐標代表DEX的裝載效率，橫坐標代表3種不同大孔孔隙率的支架。b不同大孔孔隙率的地塞米松的釋放。縱坐標代表DEX的累積釋放百分比，橫坐標代表釋放時間。圖10成骨細胞接種于實施例1、2，掃描電鏡拍攝的1天和7天后細胞在支架上的生長情況，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。a b成骨細胞培養于同條件制備的不含硼的玻璃1和7天的掃描電鏡圖片；c d成骨細胞培養于實施例1，1和7天的掃描電鏡圖片；c d成骨細胞培養于實施例2，1和7天的掃描電鏡圖片
圖11成骨細胞生長在實施例1、實施例2和實施例5上，1、7、14天上增殖情況，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。OB-MBG代表同條件制備的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表實施例1 ； 10B-MBG代表實施例2，DEX-10B-MBG為裝載地塞米松(DEX)的實施例2生物玻璃材料。圖12成骨細胞生長在實施例1、實施例2和實施例5上，7天和14天堿性磷酸酶活性情況，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。OB-MBG代表同條件制備的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表實施例1 ； 10B-MBG代表實施例2，DEX-10B-MBG為裝載地塞米松(DEX)的實施例2生物玻璃材料。圖13成骨細胞接種于實施例1、2、5上，1天和7天RT-qPCR檢測I型膠原(a)， 轉錄因子Runx2 (b),堿性磷酸酶ALP (c)和骨涎蛋白BSP (d)的表達情況，并與同條件制備的不含硼的樣本對比。OB-MBG代表同條件制備的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG 代表實施例1 ； 10B-MBG代表實施例2，DEX-10B-MBG為裝載地塞米松(DEX)的實施例2生物玻璃材料。
具體實施例方式以下實施例用于進一步說明本發明，但不應理解為對本發明的限制。實施例1 5B-MBG
硼源、鈣源、磷源、硅源的摩爾比以硼酸三丁酯Ca(NO3)2·4Η20 磷酸三乙酯正硅酸乙酯，其摩爾比為5 15 5 :75，模板劑添加量為前述重量的1/2加入，溶解于8倍重量的乙醇中，室溫攪拌1天，聚氨酯海綿(25 PPI)洗凈后完全沉浸于此溶液10分鐘，然后轉移到培養皿中，去除多余的溶液，其余的在室溫下蒸發M小時，此過程重復2次，用以獲得大孔支架的孔隙率。待樣品完全干燥后700°C煅燒5個小時。實施例2 10B-MBG 2 次
硼源、鈣源、磷源、硅源的摩爾比以硼酸三丁酯Ca(NO3)2·4Η20 磷酸三乙酯正硅酸乙酯，其摩爾比為5 15 2. 5 :70，模板劑添加量為硼源、鈣源、磷源、硅源重量的1/2，溶解于 10倍重量份的乙醇中，室溫攪拌1天，聚氨酯海綿(25 PPI)洗凈后完全沉浸于此溶液10分鐘，然后轉移到培養皿中，去除多余的溶液，其余的在室溫下蒸發M小時，此過程重復2次， 用以獲得大孔支架的孔隙率。待樣品完全干燥后700°C煅燒5個小時。實施例3 10B-MBG 3 次含10%硼的MBG
硼源、鈣源、磷源、硅源的摩爾比以硼酸三丁酯Ca(NO3)2·4Η20 磷酸三乙酯正硅酸乙酯，其摩爾比為5 15 2. 5 :70，溶解于乙醇中，室溫攪拌1天，聚氨酯海綿(25 PPI)洗凈后完全沉浸于此溶液10分鐘，然后轉移到培養皿中，去除多余的溶液，其余的在室溫下蒸發 24小時，此過程重復3次，用以獲得大孔支架的孔隙率。待樣品完全干燥后600°C煅燒8個小時。實施例4 10B-MBG 5 次
硼源、鈣源、磷源、硅源的摩爾比以三氧化二硼氧化鈣五氧化二磷二氧化硅，其摩爾比為5 :15 :2.5 :70，與0.5 M鹽酸溶解于乙醇中，室溫攪拌1天，聚氨酯海綿(25 PPI) 洗凈后完全沉浸于此溶液10分鐘，然后轉移到培養皿中，去除多余的溶液，其余的在室溫下蒸發M小時，此過程重復5次，用以獲得大孔支架的孔隙率。待樣品完全干燥后800°C煅燒3個小時。實施例5不同硼含量的介孔特性比較
對不同鵬含量的生物玻璃材料介孔進行比較，結果如表1所示 表權利要求
1.一種制備含硼的納米介孔和大孔復合生物玻璃材料的方法，包括a將模板劑、硼源、鈣源、磷源、硅源溶解于乙醇，18°C _45°C下攪拌12-48小時，獲得凝膠，其中硼源、鈣源、磷源、硅源的摩爾比以硼、鈣、磷及硅元素計為(0-10) :(10-30) (1-10):(50-90)；b將高分子海綿浸入獲得的凝膠10-60分鐘，將海綿轉入另一容器，干燥12-4 ； c待干燥后，60(T80(TC煅燒3-8小時，得到含硼的納米介孔和大孔復合生物玻璃材料。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括重復步驟b)2-5次。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述的模板劑為非極性的三嵌段共聚體模板劑。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述模板劑為E020P070E020，E0106P070E0106或 E039B047E039，其中EO表示聚環氧乙烷，PO表示聚環氧丙烷，BO表示聚丁烯氧化。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述硼源為硼酸三丁酯，所述硅源為正硅酸乙酯、所述鈣源為Ca(N03)2*4H20或CaCl2，所述磷源為磷酸三乙酯。
6.一種根據權利要求廣5任一項所述的方法制備的納米介孔和大孔復合生物玻璃材料。
7.根據權利要求6所述的生物玻璃材料，其特征在于，硼的摩爾含量在0%-10%之間。
8.根據權利要求7所述的生物玻璃材料，其特征在于，所述大孔孔徑在300-500μπι之間，所述介孔為5nm。
9.權利要求6、任一項所述的納米介孔和大孔復合生物玻璃材料在藥物或基因載體中的應用。
10.權利要求6、任一項所述的納米介孔和大孔復合生物玻璃材料在骨缺損修復填充材料或者組織工程的三維支架中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種含硼的具有納米介孔和大孔生物玻璃材料以及其制備方法和在醫療支架中應用。本發明用BO33－取代部分SiO44－，通過凝膠溶膠法的制備方法合成出含硼的有序介孔生物活性玻璃。該方法可通過調整浸入的次數(2-5次)及孔徑的大小(300μm-500μm)獲得可控的孔隙率(78%-90%)。該復合玻璃材料具有適合細胞生長的孔，多孔特性有利于組織長入和營養傳輸，在體外支架能夠保持它們的結構完整性。當硼含量從0至10%不等時，該含硼的有序介孔生物活性玻璃支架具有265-194m2/g的高的表面積，適合作為藥物和生長因子的載體。該生物材料可緩慢釋放硼離子，可作為組織修復材料應用于骨及牙周組織工程，還可用作藥物或基因載體。
文檔編號C03B19/00GK102557398SQ20111045852
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者吳成鐵, 張玉峰, 羅濤 申請人:武漢大學