微納米生物材料目前已成為生物醫用材料領域一個研究熱點和難點。大量的研究表明具有微納米結構特征的生物材料表現出了積極的生物學響應,相對其他生物材料,微納米材料可以顯著促進細胞的粘附、增殖和分化。生物玻璃(BG)與天然的骨及牙齒有著相似的組成,具有較高的生物活性、生物相容性,是一類重要的骨修復材料。然而,目前臨床應用的生物玻璃是通過高溫熔融法制備,由于高溫揮發和坩堝材料等原因易導致生物玻璃組成波動和有害雜質摻雜以及組成不均一等問題,使玻璃結構和性能難以控制。此外,材料的降解性能較差。

近年來,通過溶膠-凝膠技術制備的生物玻璃由于其制備條件溫和,材料組成和結構可以進行設計,比表面積高,具有納米孔隙結構,生物活性高,降解性能可調控,使其具有很高的研究及應用價值,可望成為第三代生物材料的重要種類。溶膠-凝膠生物玻璃最大的問題在于顆粒難以分散,其微納米結構、形態、顆粒尺寸大小難以控制,以至于材料的微納米效應難以發揮;本論文采用溶膠-凝膠方法結合有機模板合成技術以及膠體化學原理,首次設計制備了具有可控微納米表面、可調微納米顆粒形態及尺寸大小的新型溶膠-凝膠生物活性玻璃,并研究了生物玻璃微納米結構的形成機理、物理化學性質、離子釋放動力學行為以及羥基磷灰石礦化活性,詳細研究了材料微納米表面、微納米形態、微納米尺寸對骨髓基質干細胞粘附、增殖、分化行為的影響。

主要研究工作和結論如下: 

(1)溶膠-凝膠生物玻璃微納米表面控制及性能研究 采用溶膠-凝膠工藝,利用有機酸分子結構中的羥基、羧基與生物玻璃溶膠膠體顆粒表面羥基發生的氫鍵相互作用為機理,成功構建了溶膠-凝膠生物玻璃顆粒的微納米表面結構;調節工藝參數如有機酸濃度和類型精確控制了材料表面性質如比表面積(80-200 m2/g)、孔隙體積(0.1-0.5 cc/g)、介孔直徑(2-60 nm);微納米表面生物玻璃離子釋放行為符合一級動力學釋放模型,表面結構和性質的變化調控了材料的離子釋放速率和降解性,離子釋放對環境的pH值影響不大(7.25-7.55);控制離子釋放速率可以有效調控材料的羥基磷灰石(HA)形成活性,微納米表面結構和快的離子釋放速率有著高的HA形成能力;培養形式對材料細胞響應能力有影響,對于懸浮顆粒培養的方式,較低的比表面積及較慢的離子釋放速率具有較高的促進細胞粘附和增殖的能力;細胞在顆粒表面培養研究發現具有微納米表面結構和高比表面積有助于細胞的增殖和分化。

 (2)溶膠-凝膠生物玻璃顆粒的微納米形態控制及性能研究. 以溶膠-凝膠技術為基礎,采用表面活性劑-分子模板(聚乙二醇PEG)反應機制,詳細調節工藝參數,可以精確控制溶膠-凝膠生物玻璃顆粒的形態;以PEG為模板劑可以制備出規則球形的生物活性玻璃(SBG);通過酸性催化劑的選擇可以控制SBG的形態;調整模板劑的濃度可以誘導棒狀顆粒的形成(RBG);通過調整模板劑和生物玻璃溶膠的加入順序,可以誘導空心結構的微球顆粒形成(HSBG);通過煅燒HSBG可以制備多孔的生物玻璃顆粒(PBG);SBG的離子釋放行為在起初的24h內嚴格符合固體溶解一級動力學模型,離子釋放速率小于無規則形態生物玻璃(IBG),呈現更穩定均一的釋放行為;穩定而均一的離子釋放行為使得SBG的HA形成速度慢于IBG,但形成的HA顆粒規則,結晶性弱于IBG,HA晶體沿著(002)晶面生長;細胞相容性研究表明,與IBG相比,規則的形態和穩定的離子釋放速率可以促進細胞的粘附和增殖。 在溶膠-凝膠模板技術的基礎上,結合熱致相分離技術和水熱工藝可以制備出三維(3D)多孔貫穿的微納米修復體(3DPBG),3DPBG具有多級孔徑分布(10nm-10μm),納米級孔壁,通過詳細工藝參數可以調節孔壁的尺寸,孔徑,孔的形態以及修復體的抗壓強度;多級貫穿的孔徑分布增加了材料的反應面積,大大提高了修復體的HA形成能力和細胞相容性。 

(3)溶膠-凝膠生物活性玻璃的微納米尺寸控制以及性能研究 通過酸催化溶膠-凝膠技術結合生物分子模板技術和酸催化溶膠堿性沉淀技術成功控制了BG的微納米尺寸分布,制備了分散性良好的微納米生物活性玻璃粉體等新型生物活性玻璃材料;酸催化溶膠-凝膠模板法可以控制BG顆粒直徑在70 nm-5μm之間變化;酸催化溶膠堿性沉淀法可以制備出直徑在40-350nm的納米生物玻璃顆粒;通過加入分散劑聚乙二醇可以進一步控制顆粒直徑在20-100 nm之間,并可誘導顆粒中介孔的形成;酸催化溶膠堿性沉淀法制備的納米顆粒分散性要好于溶膠-凝膠模板法;SBF中的離子釋放動力學行為研究表明,釋放初期(6h)NBG具有快速的離子釋放速率,符合一級動力學模型,速率常數為同期BG的6倍,此后釋放速率小于BG,表現為穩定的緩慢釋放;與BG相比,NBG具有快速的HA形成能力,反應6 h即有結晶性良好的致密的HA層覆蓋在NBG表面,NBG表面形成的HA呈針片形態,而BG表面形成的HA則呈短棒狀形態,NBG表面的HA具有更高的結晶度;與普通BG相比,NBG能更好的誘導細胞的粘附,促進細胞短期內的增殖,表現出良好的細胞相容性。