摘要利用体外实验方法(讯“忿ro)以及XRD、SEM、FTIR、BET、ICP等手段研究了两种溶胶一凝胶生物活性玻璃的显微结构及其在模拟生理溶液(SBF)中的降解过程、表面反应产物和生物矿化机理.结果表明，两种生物活性玻璃都具有较高的生物活性，均具有由纳米尺寸颗粒相互连接而成的微孔结构和较大的比表面积、在模拟生理溶液(SBF)中浸泡后可形成表面类似天然骨中无机矿物的碳酸经基磷灰石层(HCA)，说明两者均具有较高的生物活性和生理环境相应特性.材料表面的硅酸授胶层及其硅经基团的形成对碳酸经基磷灰石(HCA)微晶的成核有重要作用.
关键词 机非金属材料，生物活性材料，模拟生理溶液，可降解性，生物矿化
长期以来，大范围骨缺损的临床修复一直是困扰医学界的主要难题之一天然骨组织结构的复杂性以及材料加工方法的局限性使已临床应用的骨修复材料的化学组成、相组成、微细结构、生理学功能及其对生理环境的响应特性很难达到与人体骨组织完全一致f1,21.近年来随着材料科学、生物学、生物医学工程及临床医学的发展形成了前缘交叉学科一骨组织工程学(Bone Tissue Engineering).研究者用组织工程方法制备出其组成、微细结构和生理功能与人体骨组织非常接近的组织工程化人工骨[s}}l.骨组织工程是将具有成骨或成软骨潜能的细胞诱导分化和增殖，并种植到可生物降解的支架材料上，形成组织工程化人工骨，并用其修复骨缺损的过程.此方法比以往的生物材料修复骨缺损具有显著的优越性，有可能使骨缺损的修复达到理想水平.在组织工程化人工骨的制备中，作为细胞载体的支架材料对于生理环境的响应能力，以及由此而产生的物理、化学变化和有利于新骨形成的表面反应产物直接影响材料与人体组织和细胞的亲和性，也决定材料能否随着新生骨组织生长而本身逐渐在体内降解.本文制备了Ca0-P20s-Si02 系统溶胶一凝胶玻璃，并研究其生物矿化行为.
1实验方法
用溶胶一凝胶技术制备编号为SG1(高Ca0和低Si0:含量)和SG2(低Ca0和高Si0:含量)两种溶胶一凝胶生物活性材料，其化学组成列于表1.
实验用原料有正硅酸乙脂(Tetraet场1 or- thosilicate, TEOS)、硝酸钙(Ca(N03)2}4H20) 和磷酸三乙脂(Triethyl phosphate, TEP)，盐酸为催化剂.按照一定比例依次将每种原料加入烧杯后搅拌1h制成均匀溶液，在室温下陈化 72 h，使水解一缩聚反应充分进行，形成凝胶. 将凝胶置于70℃和150℃的烘箱中分别烘干 72和48 h，将得到的凝胶块在700℃的箱式电阻炉内热处理3h，在玛瑙研钵内研磨，取颗粒度为350710 }.m的溶胶一凝胶生物玻璃颗粒用于性能测试.测定生物玻璃颗粒在模拟生理溶液(SBF)中表面碳酸轻基磷灰石(hydroxyl-carbonate-apatite, HCA)的生成速度和生成量，以综合评价其生物活性.HCA是组成人体骨组织的主要无机盐.SBF溶液的pH值为7.257.40, 所含各种无机离子浓度及缓冲能力与人体血浆基本相同[(8l.精确称取两组样品(SG1、SG2)粉末，每组15份，每份0.3 g.将每份试样分别置于盛有200 ml SBF溶液的锥形瓶中，在恒温气浴摇床中于37℃恒温浸泡，同时以160 r/min的速度摇动，以加快反应速度.15个试样的反应时间分别为。、2、4、6、8、10、12、16、20、24、28、32、36、40和48 h.将反应后的粉末试样用滤纸滤出，用丙酮冲洗后在100℃烘箱内烘20 min.对反应前和反应48 h的 SG1及SG2粉末进行XRD测定(D/max-wA型X射线衍射仪，日本);用BET法(即氮气吸附一解吸法，SA3100型，美国Coulter公司)测定反应前样品的比表面积和平均微孔孔径;用压汞仪测定反应前样品的显气孔率和平均显孔孔径(Autoscan Porosimeter，美国Quantachrome 公司).用SEM(H-800，日本日立公司)及FTIR(Avatar 360，美国Nicolet公司)技术测试样品的表面形貌、成分变化及表面生成物.用等离子发射光谱仪(ICP)(TS1000AT，美国利曼公司)测定 SBF溶液中Ca、P及Si的浓度和pH值.
2结果与讨论
由表2可见，两种溶胶一凝胶材料都具有较大的比表面积.在凝胶老化过程中，水解产物进一步聚合、脱水和结构重排形成多孔的结构骨架，溶剂和水分则填充于微孔之中，干燥后溶剂和水挥发产生大量气孔.这种高比表面积和均匀分布的微孔有利于提高材料的化学反应活性、降解速度、形成较多的HCA矿物的成核位以及改善植入材料的组织细胞亲和性[}9}. SG2(含有较高Si0:和较低Ca0)比SG1的比表面积、显孔气孔率及显孔直径要高.
由图1可见，反应前和反应48 h的两种粉末XRD图谱均显示出较宽阔、弥散的衍射峰，说明SG1和SG2样品直到浸泡48 h其结构仍以无定形态物质为主.尽管SEM及FTIR测试均显示浸泡48 h的样品颗粒表面有明显的晶态矿化产物生成，但由于这一矿化过程仅限于表层，相对于材料整体所占体积比较低，只根据粉末的XRD结果尚不能确定其表面的矿化产物.
在SBF溶液中反应前的SG1溶胶一凝胶材料是由直径约3070 nm的颗粒相互连接，构成纳米级微孔结构(图2a)，与表2的结果一致.溶胶一凝胶生物材料的这种微孔结构所形成的较大比表面积有利于提高其化学反应活性以及为类骨的钙磷化合物形成提供大量的成核位. 同时，这种纳米微孔结构也有利于人体内促进骨修复及新骨生长的各种胶原、蛋白物质及骨细胞的附着.由于材料表面Ca2+离子与SBF溶液中的H30+发生离子交换，以及H20对于材料Si-。网络的断键作用[yo,m]，使材料表面迅速形成结构疏松的含水硅酸凝胶层(Si(OH);或 Si02 }2H20)，继而在此硅酸凝胶层开始有反应产物开始通过外延附生方式沉析出来(图2b中的白色物质).反应16 h后，SG1样品表面的低结晶度HCA进一步矿化成结晶度较高的HCA球形晶簇，直径约为0.61.0 }m(图2c).反应24 h后，球形晶簇直径达3 },m左右，并完全覆盖材’ 料表面(图2d).随着反应时间增加，此球形晶簇矿化成为由微小HCA晶粒构成的结晶层(图2e, f). SG1样品在SBF溶液中反应2h后，材料表面即开始有无定形态钙磷化合物形成(576 cm-1 处的弥散峰);反应8h，此无定形钙磷化合物转变为低结晶度HCA(图3).图3中位于1040、 870 , 560和601 cm-‘处的反射峰为HCA晶体形成标志[[ia,ia].图2b中的白色物质为低结晶度碳酸轻基磷灰石(Hydroxyl-carbonate-apatite, HCA)(图3c). HCA为天然骨组织中的无机矿物，材料表面在SBF溶液中于较短的时间即形成了类骨的低结晶度HCA微晶，说明材料在生理环境中具有良好生物活性和促进新骨形成的功能.SG1样品在SBF中反应48 h的FTIR图谱中各反射峰高度与反应8h的图谱相比变化不明显，说明HCA层厚度及数量在此时间范围内变化不大，但由于反射峰变得相对比较尖锐(图2e, f)，说明其矿化程度有所提高.
与SG1相似，在SBF溶液中浸泡前的SG2材料结构也是由细小的球形颗粒(尺寸在30 70 nm)相互连接而构成多孔结构(图4a).对照表2可知，SG2样品中微孔平均尺寸仅为3 nm, 比SG1小.但SG2的显孔平均尺寸为700 nm，比表面积为202.5 m2/g，显气孔率为61.7%，均高于SG1.由于SG2含有比SG1较高的Si0:和较低的Ca0组分，所以两者在SBF溶液中反应不同时间的SEM形貌和HCA生成时间有所不同.SG2样品直到浸泡8h，才可见低结晶度的 HCA晶核以外延附生方式沉析在疏松的含水硅酸凝胶层上(图4b).反应16h后，材料表层被长度约300500 nm的叶片状HCA微晶层所覆盖(图4c).随着反应时间的延长，HCA层继续生长，反应36 h形成HCA球形晶簇(图4e)，其直径在5}8 Ecm.反应48 h，材料表面HCA晶簇相互融合，形成板状HCA覆盖层(图4f).由图5可见，SG2样品在SBF溶液中反应8h其表面开始有无定形态钙磷化合物形成(560601 cm-1);反应16 h，此无定形钙磷化合物晶化为碳酸轻基磷灰石(HCA) (1043、870、601、560 cm-’处反射峰);反应时I旬延长直到48 h，反射峰的高度变化不大.
由图3和图5可见，SG2的反射峰强度显著高于SG1，且较尖锐，说明尽管SG2试样表面 HCA形成较晚，但其后期的HCA晶体生长、矿化速度及HCA层的厚度却高于SG1试样.这与 SG2含有较高的Si02，在SBF溶液中其表面形成较多的硅酸凝胶Si(OH)4，使材料表面硅轻基团“三Si-OH '，的密度增高，从而为HCA形成提供了较多的成核位有关fi41.由此可见，材料组成中Si0:组分通过形成结构疏松的水溶性硅酸凝胶，对于诱导HCA晶核形成起到重要作用.
图6表明，SG1和SG2中的Ca浓度在4h均达到较高数值，SG1浸泡液的Ca浓度在下降后很快又回升到较高水平，而SG2浸泡液在Ca浓度在下降后基本维持在初始的较低水平. 反应初期Ca浓度升高是材料表面的Ca2+与SBF溶液中的H30+发生离子交换所致.伴随这一过程，溶液的pH值也由于OH一的相对浓度升高而迅速升高(图7).由图2}5的结果可知，溶液中Ca的浓度在浸泡4h后有所下降是玻璃表面无定
