CN111592229B

CN111592229B - 失盐法制备生物活性玻璃的工艺

Info

Publication number: CN111592229B
Application number: CN202010503415.6A
Authority: CN
Inventors: 张青前; 蔡敏聪; 徐治敏
Original assignee: Zhongshan Kexin Biotechnology Co ltd
Current assignee: Zhongshan Kexin Biotechnology Co ltd
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2040-06-05
Also published as: CN111592229A

Abstract

本发明涉及生物活性无机材料，属于材料加工领域。一种失盐法制备生物活性玻璃的工艺，该工艺将生物活性玻璃粉末与可溶盐的粉末混合后压制成型，获得第一胚体，烧制，获得第二胚体，将第二胚体置于溶剂中浸泡，溶解内部可溶盐，形成第三胚体，烧制获得最终生物活性玻璃。通过对可溶盐粒径、参杂量的控制，实现生物活性玻璃表面及内部孔径可控可调节的有益效果，为临床需求个性化的设计出不同微观孔径大小、孔径密度的生物活性玻璃；通过二次烧制，将失盐后的纳米粉体之间存在的锐利表面，从新烧制结合，增大了成型后生物玻璃的结构强度并减轻了质量密度，且低温下烧制即可实现生物活性玻璃粉末之间的烧结，提升烧结质量。

Description

失盐法制备生物活性玻璃的工艺

技术领域

本发明涉及制备生物活性玻璃，尤其涉及一种失盐法制备生物活性玻璃的工艺。

背景技术

生物玻璃是一种与骨组织和软组织均有良好的结合能力的特种玻璃，在植入体内后生物活性玻璃表面即与体液发生离子反应，最终在玻璃表面形成类似骨中无机矿物的低结晶度碳酸羟基磷灰石层(HCA)。20世纪70年代初，Hench教授通过熔融法制备出Na2O-CaO-SiO2-P2O5系统的生物玻璃45S5，开创了一个崭新的生物材料研究领域。

研究发现，体外模拟体液(SBF)中浸泡一段时间能在其表面生成类骨的碳酸羟基磷石晶体，在体内实验中生物活性玻璃比其他生物陶瓷能更快的与骨组织键合。而且生物玻璃可以通过组分的改变来调节它们的生物矿化及降解性能，使用于不同临床需求的环境。为进一步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。1983年，Holland等研制成功了商品名为Bioverit的可切削生物微晶玻璃，其主晶相是磷灰石和金云母晶体。这类微晶生物玻璃的特点是既具有一定的生物活性又具有较好的可切削加工性能，可根据临床需要利用一般的机械加工方法制成各种不同形状，材料不会发生断裂。

近年来生物材料领域的研究者们相继研制出磷酸盐多孔微晶玻璃、铁磁玻璃陶瓷和含生物玻璃相的复合生物材料等一系列特定性能的生物活性玻璃。生物活性玻璃作为人工医学材料已得到广泛研究和临床应用，越来越显示出惰性生物材料所不能比拟的优势。具体来说，现有的生物活性玻璃制备工艺主要分类熔融法、溶胶-凝胶法和溶胶-凝胶自蔓延法。

1、熔融法制备生物活性玻璃

最早制备生物活性玻璃的方法是熔融法。通常原料要求有一定的纯度，不含有超过限量或未知的对生物体有害的成分。粉状原料在配合时应按适当的称量步骤及次序称出，并放在一起混合，混合时又须注意使配合料保持一定的湿度，以避免粉尘飞扬，一般水分可控制在4％-10％之间。高碱和含磷较高的生物玻璃的熔制，最高温度约在1300-1350℃。熔融法是制备生物玻璃的常用方法，但用这种方法制备生物活性玻璃对原料要求高；熔融过程中易侵蚀坩埚，熔融所需温度高，而高温烧结易造成材料成分不均匀，降低材料的生物活性；组分不易控制，采用该方法制备的生物玻璃密实无孔、比表面积小，一般当SiO2含量超过60％(质量分数)时，玻璃就不再具有生物活性。

2、溶胶-凝胶法制备生物活性玻璃

熔融法制备的生物活性玻璃成功用于各种临床应用已有十多年，但由于熔融法的局限性，人们研究开发了溶胶-凝胶生物活性玻璃。Si02-Ca0-P2O5生物玻璃系统的前驱体主要是正硅酸乙脂(TEOS)、四水硝酸钙和磷酸三乙脂(TEP)。用盐酸或硝酸催化TEOS和TEP的水解，通常H2O与醇盐的比值(R值)为(摩尔比)；所有反应物都加入后，充分搅拌，经过充分水解后得到均匀的溶胶；胶凝后陈化一段时间，最后在150℃下干燥；干凝胶经过研磨和过筛，得到的粉体经过压制和烧结就可得到所需的块体材料。大致步骤如附图1所示。

3、溶胶-凝胶自蔓延法制备生物玻璃超细粉

在溶胶-凝胶法的基础上，将自蔓延高温合成(selfpropagating hightemperature synthesis,SHS)法引人到生物玻璃的制备中，可在短时间内获得成分均匀的超细生物玻璃前驱粉。将SHS法和Sol-Gel法结合起来，先借助Sol-Gel法得到成分均匀的湿凝胶以实现成分均匀性，然后将湿凝胶与有机燃料相混合，点火发生剧烈燃烧得到粉末以实现超细化。湿凝胶已经是溶胶颗粒的聚集体，与燃料混合时不会破坏凝胶所具有的成分均匀性。该方法综合了SHS法和Sol-Gel法的优点，制得的粉末粒径范围窄，平均粒径小(约为200nm)，且具有优良的压制性能。

尽管生物活性玻璃的制备工艺相对于上世纪七十年代有了长足的发展，溶胶-凝胶、溶胶-凝胶自蔓延法相比熔融法更适于制备生物活性玻璃。但其制备的生物玻璃材料的生物力学性能，可梯度降解性能和孔结构等技术指标仍存在一定的问题，比如且采用的先驱体成本较高，溶胶-凝胶、溶胶-凝胶自蔓延法制备过程中不同的金属醇盐具有不同的水解速率，导致微观不均匀性；压制后的体系封闭效应导致产品热处理不彻底、不均匀，样品中会残留羟基或碳，后者使试样带黑色，更限制了生物玻璃医疗器械的临床治疗效果。

因此，克服生物活性玻璃制备工艺的不足，进一步改善和提高生物活性玻璃材料的各项性质，是材料科学、生物科学及医学及等交叉学科的研究热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种失盐法制备生物活性玻璃的工艺，解决现在生物活性玻璃制备工艺的不足，进一步改善和提高生物活性玻璃材料的各项性质。

技术方案

一种失盐法制备生物活性玻璃的工艺，其特征在于：

A、制备生物活性玻璃粉末；

B、将生物活性玻璃粉末与可溶盐混合后压制成型，获得第一胚体；

C、将第一胚体进行第一次烧制，获得第二胚体；

D、将第二胚体置于溶剂中浸泡，溶解内部可溶盐，形成第三胚体；

E、将第三胚体进行第二次烧制。

进一步，所述生物活性玻璃粉末制备工艺包括：

A1、配制酸性硝酸钙、正硅酸乙酯水溶液I；配置磷酸氢二铵、PEG水溶液II；

A2、将水溶液II滴加入水溶液I，然后滴加氨水调节pH至8～8.5，然后离心出固体产物；

A3、将上述固体产物洗涤纯化后，置于110～125摄氏度下烘干，气流磨粉碎，获得制备生物活性玻璃粉末。

进一步，所述硝酸钙、正硅酸乙酯摩尔比为0.5～0.8:1；所述磷酸氢二铵、PEG摩尔比为1:0.2～0.5。

进一步，所述可溶盐选自氯化钠、氯化钾中的一种或多种。

进一步，所述可溶盐颗粒粉末的粒径0.1～100微米,优选为5～26微米.

进一步，所述生物活性玻璃粉末与可溶盐质量比为1:0.01～0.2，优选为1:0.01～0.15。

进一步，所述第一次烧制的温度为650～780摄氏度；所述第二次烧制的温度为400～500摄氏度。

进一步，所述浸泡溶液选择水、水-醇、硅酸钠水溶液中的一种，所述水或水-醇浸泡溶液中还添加酸或碱，调控pH。

有益效果

采用本发明的制备生物活性玻璃的纳米粉体的工艺，通过二次溶解胚体内部可溶盐微粒，在胚体表面和内部形成可控密度和孔径大小的微孔，并在微孔内壁形成更小尺度的锐利表面；在二次烧制下，微孔内部锐利表面平滑、重新烧结牢固。通过这种工艺，结合对可溶盐粒径、参杂量的控制，实现生物活性玻璃表面及内部孔径可控可调节的有益效果，为临床需求个性化的设计出不同微观孔径大小、孔径密度的生物活性玻璃，且有效降低了材料的密度；通过二次烧制，将失盐后的纳米粉体之间存在的锐利表面，从新烧制结合，增大成型后生物玻璃的结构强度和弹性强度；并且，锐利面呈现纳米尺度，其表面吉布斯自由能高，在不影响活性玻璃颗粒本身晶型、尺寸的低温下烧制，即可实现生物活性玻璃粉末之间的烧结，提升烧结质量。

附图说明

图1为背景技术中溶胶凝胶法制备生物活性玻璃步骤示意图；

图2为本发明实施例7所制备生物活性玻璃块体粉碎后的粒径图；

图3为本发明实施例6所制备生物活性玻璃块体粉碎后的粒径图；

图4为本发明实施例7所制备生物活性玻璃块体粉碎后的扫描电镜能谱图；

图5为本发明实施例6所制备生物活性玻璃块体粉碎后的扫描电镜能谱图；

图6为本发明失盐法工艺示意图；

图7为本发明实施例6所制备生物活性玻璃块体粉碎后的X射线衍射谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

实施例1滴加法制作生物活性玻璃粉末

在反应釜中加入156.2g正硅酸乙酯，115g四水合硝酸钙，纯化水1400ml，最后加入浓硝酸调节反应液PH值在1至2之间，常温200转速搅拌2小时，获得无色透明溶液A；将12.1g磷酸氢二铵溶于100g纯化水中，然后加入5g PEG.10000，搅拌均匀获得溶液B；另准备浓氨水或者2mol/L氢氧化钠备用。

装有无色透明溶液A的反应釜搅拌速度调整到350转，缓慢滴加溶液B半小时左右滴完，滴加完毕后继续搅拌半个小时，此时混合溶液中生成少量白色沉淀，溶液呈白色浑浊液。然后向反应液中缓慢滴加氨水，溶液中沉淀缓慢增多，PH值升高至7.5时溶液中析出大量固体，此时继续滴加氨水，直至反应液PH值到8到8.5后停止滴加氨水，并继续维持350转的速度搅拌一个小时。离心分离生成的固体产物，并采用纯化水洗涤(纯化水3kg/次)三次，离心洗涤的固体置于120摄氏度烘箱干燥，用粉碎机处理后再干燥2小时，最后置于700摄氏度烘烤3小时，气流磨处理固体，获得纳米尺寸的生物活性玻璃粉末。

实施例2滴加法制作生物活性玻璃粉末

在反应釜中加入208g正硅酸乙酯，118g四水合硝酸钙，纯化水1400ml，最后加入浓硝酸调节反应液PH值在1至2之间，常温200转速搅拌2小时，获得无色透明溶液A；将14g磷酸氢二铵溶于100g纯化水中，然后加入3.5g PEG.10000，搅拌均匀获得溶液B；另准备浓氨水或者2mol/L氢氧化钠备用。

实施例3滴加法制作生物活性玻璃粉末

在反应釜中加入200g正硅酸乙酯，184g四水合硝酸钙，纯化水2000ml，最后加入浓硝酸调节反应液PH值在1至2之间，常温200转速搅拌2小时，获得无色透明溶液A；将20g磷酸氢二铵溶于100g纯化水中，然后加入6g PEG.10000，搅拌均匀获得溶液B；另准备浓氨水或者2mol/L氢氧化钠备用。

实施例4失盐法烧制生物活性玻璃

步骤包括：称取100g实施例1制备的生物活性玻璃粉末与8g粒径为6微米的氯化钠均匀混合后压制成型，获得多个1*1.5*1.5cm的生物活性玻璃块体，即第一胚体；将第一胚体置于670摄氏度下进行第一次烧制3h，获得第二胚体；将第二胚体置于沸腾的去离子水中浸泡24h，溶解内部可溶盐，形成第三胚体；将第三胚体置于420摄氏度进行第二次烧制2h，获得生物活性玻璃。

实施例5失盐法烧制生物活性玻璃

步骤包括：称取100g实施例2制备的生物活性玻璃粉末与3g粒径为12微米的氯化钠均匀混合后压制成型，获得多个1*1.5*1.5cm的生物活性玻璃块体，即第一胚体；将第一胚体置于700摄氏度下进行第一次烧制3h，获得第二胚体；将第二胚体置于60摄氏度甲醇-去离子水(二者体积比为10：90)中浸泡24h，溶解内部可溶盐，形成第三胚体；将第三胚体置于500摄氏度进行第二次烧制2h，获得生物活性玻璃。

实施例6失盐法烧制生物活性玻璃

步骤包括：称取100g实施例3制备的生物活性玻璃粉末与17g粒径为25微米的氯化钠均匀混合后压制成型，获得多个1*1.5*1.5cm的生物活性玻璃块体，即第一胚体；将第一胚体置于750摄氏度下进行第一次烧制3h，获得第二胚体；将第二胚体置于沸腾的去离子水中浸泡24h，溶解内部可溶盐，形成第三胚体；将第三胚体置于450摄氏度进行第二次烧制2h，获得生物活性玻璃。

实施例7直接压制法烧制生物活性玻璃

步骤包括：称取117g实施例1制备的生物活性玻璃粉末压制成型，获得多个1*1.5*1.5cm的生物活性玻璃块体，即第一胚体对照品；将第一胚体置于750摄氏度下进行第一次烧制3h，获得第二胚体对照品；将第二胚体对照品置于沸腾的去离子水中浸泡24h，形成第三胚体对照品；将第三胚体对照品置于450摄氏度进行第二次烧制2h，获得生物活性玻璃对照品。

实施例8直接压制法烧制生物活性玻璃

步骤包括：称取117g实施例2制备的生物活性玻璃粉末压制成型，获得多个1*1.5*1.5cm的生物活性玻璃块体，即第一胚体对照品；将第一胚体置于750摄氏度下进行第一次烧制3h，获得第二胚体对照品；将第二胚体对照品置于沸腾的去离子水中浸泡24h，形成第三胚体对照品；将第三胚体对照品置于450摄氏度进行第二次烧制2h，获得生物活性玻璃对照品。

实施例9直接压制法烧制生物活性玻璃

步骤包括：称取117g实施例3制备的生物活性玻璃粉末压制成型，获得多个1*1.5*1.5cm的生物活性玻璃块体，即第一胚体对照品；将第一胚体置于750摄氏度下进行第一次烧制3h，获得第二胚体对照品；将第二胚体对照品置于沸腾的去离子水中浸泡24h，形成第三胚体对照品；将第三胚体对照品置于450摄氏度进行第二次烧制2h，获得生物活性玻璃对照品。

实施例10各实施例的生物活性玻璃参数表征

取实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8、实施例9制备的生物活性玻璃块体，密度测定。然后将块体同等条件下粉碎后比表面积测定。

取实施例6制备的生物活性玻璃块体，气流磨处理固体后测定粒径分布，如附图3；取实施例7制备的生物活性玻璃块体，气流磨处理固体后测定粒径分布，如附图2。实施例6制备生物活性玻璃块体的扫描电镜能谱图如附图5，X射线衍射图谱如附图7；实施例7制备生物活性玻璃块体的扫描电镜能谱图如附图4；其中，

附图5能谱图所对应的元素含量为：

附图6能谱图所对应的元素含量为：

实施例11各实施例材料的生物亲和性实验

在无菌实验室中，将实施例所制备的生物活性玻璃分别置于含有稀牛肉膏蛋白胨培养基的培养瓶，分别添加1mL细菌悬浮液，37摄氏度下摇床震荡10min，然后置于41.5摄氏度下静止培养72h，取出生物活性玻璃块后，0.9％氯化钠水溶液15mL分别冲洗三次，然后浸入20mL生理盐水中10秒超声，取1mL超声后的溶液稀释十万倍，取0.1mL稀释液接种牛肉膏蛋白胨培养基中培养72h，分别计数培养基菌落数，见下表。

实施例	细菌菌落数(CFU/dm<sup>2</sup>)
		4	162
5	175
		6	165
7	74
		8	62
9	79

由附图分析结果及上标生物亲和性实验可见，经过失盐法制备的生物活性玻璃微观组成的玻璃颗粒的粒径分布更小更集中，多在1～10微米之间，而密度却大约降低了8％，比表面积提升25％，且各元素组成的百分比均未发生显著的变化。失盐法工艺在保证生物活性玻璃微观组成稳定的情况下，有效提升粒径均匀度，降低材料密度，增加比表面积，亦有效增加了生物活性玻璃的微观孔径大小及孔径数量，提升材料与生物组织的亲和性至少一倍以上。

Claims

1.一种失盐法制备生物活性玻璃的工艺，其特征在于，步骤包括：

A、制备生物活性玻璃粉末；

B、将生物活性玻璃粉末与可溶盐的粉末混合后压制成型，获得第一胚体；

C、将第一胚体进行第一次烧制，获得第二胚体；

E、将第三胚体进行第二次烧制；

所述可溶盐选自氯化钠、氯化钾中的一种或多种；

所述第一次烧制的温度为650～780摄氏度；所述第二次烧制的温度为400～500摄氏度。

2.如权利要求1所述的失盐法制备生物活性玻璃的工艺，其特征在于，所述生物活性玻璃粉末制备工艺包括：

A2、将水溶液II滴加入水溶液I，然后滴加氨水调节pH至8～8.5，然后分离出固体产物；

A3、将上述固体产物洗涤纯化后，置于110～125摄氏度下烘干，气流磨粉碎，获得生物活性玻璃粉末。

3.如权利要求2所述的失盐法制备生物活性玻璃的工艺，其特征在于，所述硝酸钙、正硅酸乙酯摩尔比为0.5～0.8:1；所述磷酸氢二铵、PEG摩尔比为1:0.2～0.5。

4.如权利要求1所述的失盐法制备生物活性玻璃的工艺，其特征在于，所述可溶盐粉末颗粒的粒径0.1～100微米。

5.如权利要求1所述的失盐法制备生物活性玻璃的工艺，其特征在于，所述可溶盐粉末颗粒的粒径5～26微米。

6.如权利要求1所述的失盐法制备生物活性玻璃的工艺，其特征在于，所述生物活性玻璃粉末与可溶盐质量比为1:0.01～0.2。

7.如权利要求1所述的失盐法制备生物活性玻璃的工艺，其特征在于，所述浸泡溶液选择水、水-醇、硅酸钠水溶液中的一种。

8.如权利要求7所述的失盐法制备生物活性玻璃的工艺，其特征在于，溶液中添加酸或碱，调节pH=0.5～13。