生物活性玻璃復(fù)合支架的制備與研究

馬麗娟，鄧久鵬，尹浩月，劉圣錦，田宜文

（博創(chuàng)口腔醫(yī)院，河北唐山063000）

生物活性玻璃自19 69年被Hench[1]發(fā)現(xiàn)起，已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。其具有良好的骨誘導(dǎo)和骨引導(dǎo)性，主要體現(xiàn)在生物活性玻璃在體內(nèi)降解的羥基磷灰石沉積，可使表面有類骨質(zhì)的物質(zhì)生成，可以很好地促進(jìn)細(xì)胞的增值與再生。制備多孔結(jié)構(gòu)生物活性玻璃復(fù)合材料的方法有添加造孔劑法、有機(jī)泡沫親浸漬法、快速自動(dòng)成型法、凝膠注模成型法、仿生法、離子注漿法等。每種方法在調(diào)控孔結(jié)構(gòu)方面各有特色，但它們具有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即不能很好地控制三維孔結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)力學(xué)性能。造孔劑（氯化鈉、碳酸氫銨和尿素顆粒或有機(jī)物如淀粉等[2-7]）的加入成功地制備出了支架，但實(shí)驗(yàn)過程中還是不可避免的造成了氯化鈉、碳酸氫銨等的殘留，這就在一定程度上對(duì)機(jī)體的酸堿平衡造成影響。本實(shí)驗(yàn)采用水作為致孔劑，制備聚乳酸與生物活性玻璃的復(fù)合支架，就減少了因致孔劑殘留而造成的對(duì)機(jī)體影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

生物活性玻璃（45SBG，北京大清），聚乳酸（PLA，蘇州樂樂），二氯甲烷（分析純），模擬人體體液（SBF，西安），X射線能譜儀（APD 2000 PRO，意大利），真空冷凍干燥機(jī)（上海比朗），萬能電子試驗(yàn)機(jī)（AGS-X Unit型，日本SHIMDZU），冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（S-4800 型，日本日立）。

1.2 生物活性玻璃復(fù)合支架的制備

在聚乳酸中加入去離子水，通過反復(fù)的試驗(yàn)，最終可以得到當(dāng)聚乳酸與水的比例為1.85∶1時(shí)，恰好可以得到一個(gè)較為理想的狀態(tài)——冷凍干燥后，單純的聚乳酸可以形成一個(gè)疏松多孔的固態(tài)結(jié)構(gòu)，許多大小不均的孔隙相互連通。由此，將不同含量（0.3、0.35、0.4、0.45 g和0.5g）的生物活性玻璃分別加入到聚乳酸中，依次分為A、B、C、D、E五組，將二者放到振蕩器上震蕩5min中，充分混合，再加入1mL去離子水，并把混合物堆砌成一半圓柱狀。之后將此放入-20℃的冰箱中30min。待其冷凍后加入二氯甲烷，使整個(gè)支架都在溶劑中。迅速放入冰箱，2h取出后放入真空冷凍干燥機(jī)中冷凍。24h后，聚乳酸與生物活性玻璃的復(fù)合支架就制成了。

1.3 測(cè)試

從上述5組中各隨機(jī)抽取3個(gè)，按照阿基米德原理測(cè)得其孔隙率。將上述5組制得的復(fù)合支架切割成10mm×10mm×1mm的試件，SEM觀察其表面的微觀結(jié)構(gòu)。使用X射線衍射儀研究生物活性玻璃水合前后結(jié)構(gòu)和晶型變化。設(shè)備工作電壓30 kV，工作電流40 mA，Cu靶波長1.54 nm，2θ角掃描范圍10°～70°，步長為0.02°，每步停留時(shí)間0.1 s。通過浸泡法制備模擬體液，分析中生物活性玻璃復(fù)合支架表面沉積羥基磷灰石的能力來評(píng)價(jià)復(fù)合支架的生物活性。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 支架表面的形態(tài)

圖1為加入了0.4g生物活性玻璃的聚乳酸復(fù)合支架的掃描電鏡圖，可以清晰地觀察到小至143nm的小孔隙的存在，生物活性玻璃成片的團(tuán)塊狀聚集在聚乳酸中。這就在一定程度上阻塞了一部分的孔，出現(xiàn)了部分閉孔的現(xiàn)象。這就解釋了加入了0.5g的聚乳酸后孔隙率下降的現(xiàn)象。

圖1 加入0.4g生物玻璃復(fù)合支架的電鏡圖

2.2 生物活性玻璃復(fù)合支架的孔隙率

不同含量的生物活性玻璃復(fù)合支架的孔隙率見表1。當(dāng)加入的聚乳酸一定時(shí)，復(fù)合支架的孔隙率有一個(gè)先增加后減小的過程。再加入0.4g的生物活性玻璃后的復(fù)合支架，孔隙率由當(dāng)初的純聚乳酸的70.06增加到了77.64。而后當(dāng)生物玻璃的含量為0.5g時(shí)，孔隙率變得更低了，生物活性玻璃的不均勻、成片的團(tuán)聚現(xiàn)象阻塞了支架部分孔隙，因而出現(xiàn)孔隙率隨著生物活性玻璃含量的增加反而減小的現(xiàn)象。

2.3 X射線衍射

圖2為不同含量的生物活性玻璃與聚乳酸復(fù)合支架的X射線衍射圖。圖中可見，黑色線生物活性玻璃為一個(gè)寬大的較為平坦的峰，而當(dāng)加入了聚乳酸后峰值出現(xiàn)了明顯的差別：在16.5θ ～17.05θ尖銳的高峰，在2θ為16.9時(shí)，出現(xiàn)了最大值。這也就證實(shí)了聚乳酸與生物活性玻璃融合，但玻璃的含量變化并沒有改變圖中的走向趨勢(shì)。

表1 不同含量的生物活性玻璃復(fù)合支架的孔隙率

圖2 不同含量的生物活性玻璃與聚乳酸復(fù)合支架的X射線衍射圖

2.4 體外的生物活性

通過掃描電鏡可以直觀觀察生物活性玻璃復(fù)合支架的微觀表面，如圖3所示。從圖3a可以看出，復(fù)合支架的表面呈不均勻的孔隙相通的斷面結(jié)構(gòu)，聚乳酸與生物玻璃融合良好。浸泡SBF 24 h以后（圖3b），可以觀察到新生成的絨毛狀晶體結(jié)構(gòu)完全包覆粉體全表面，粉體表面棱角變模糊。在500倍（圖3c）和5000倍（圖3d）視野下觀察到新晶體呈連續(xù)不均勻有規(guī)律的分布，與粉體表面結(jié)合緊密無脫落。表明模擬體液浸泡24 h以后，通過離子在粉體表面的釋放和沉積，已經(jīng)生成了大量的羥基磷灰石晶體，而且隨著時(shí)間延長，新晶體的生長結(jié)構(gòu)更加致密，含量進(jìn)一步增加。

圖3 掃描電鏡觀察浸泡前后生物活性玻璃復(fù)合支架微觀結(jié)構(gòu)

3 討論

大量的臨床和體外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，相比于其他生物陶瓷，生物活性玻璃對(duì)人體骨骼的修復(fù)效果更好，尤其以45S5型生物活性玻璃的應(yīng)用性能較為優(yōu)越。而生物活性玻璃與聚乳酸的比例為0.4∶1.85時(shí)，孔隙率達(dá)到了最高77.65%。生物活性玻璃支架能夠在周圍形成弱堿性環(huán)境，釋放大量鈣磷離子，從而有效殺滅多種口腔致病菌，并且在軟組織表面形成富硅凝膠層，實(shí)現(xiàn)對(duì)受損的軟組織進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)。本文單純冷凍干燥水而制備生物活性玻璃和聚乳酸的復(fù)合支架，通過一系列體外實(shí)驗(yàn)方法表征其活性，證明本材料具有良好的生物活性，但本文僅局限于對(duì)生物活性玻璃進(jìn)行理化性質(zhì)的檢測(cè)，缺少相關(guān)的生物相容性檢測(cè)結(jié)果，這也是接下來對(duì)生物活性玻璃的重點(diǎn)研究方向。