鄭衛(wèi)澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)工程系，澳大利亞，布里斯本，4109

生物玻璃增強(qiáng)羥基磷灰石陶瓷支架性能研究

【作者】鄭衛(wèi)澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)工程系，澳大利亞，布里斯本，4109

骨修復(fù)材料的選擇一直是困擾研發(fā)和臨床的新問(wèn)題，主要涉及材料的堅(jiān)固性以及其生物相容性。磷酸鈣陶瓷屬于生物活性陶瓷，成為人工骨替代的研究熱點(diǎn)，但材料本身的機(jī)械強(qiáng)度制約了其發(fā)展。在磷酸鈣陶瓷里加入生物玻璃不僅增強(qiáng)了它的堅(jiān)固性，更提高了其生物活性。

生物玻璃，羥基磷灰石，支架強(qiáng)度

目前，越來(lái)越多的生物陶瓷被用于人體組織的置換。骨修復(fù)一直受材料學(xué)所困擾，主要涉及材料的堅(jiān)固性以及其生物的相容性。磷酸鈣陶瓷屬于生物活性陶瓷，其主要成分是Ca和P。研究發(fā)現(xiàn)，這種材料跟人體骨組織成份的無(wú)機(jī)物質(zhì)非常接近[1]，當(dāng)植入人體后，在體液的作用下，鈣和磷會(huì)游離于材料表面而被機(jī)體組織所吸收，并與人體骨組織發(fā)生化學(xué)結(jié)合，生長(zhǎng)出新的組織[2]，因而成為人工骨替代的研究熱點(diǎn)，但材料本身的機(jī)械強(qiáng)度制約了其發(fā)展。生物玻璃不僅增強(qiáng)了磷酸鈣陶瓷的堅(jiān)固性，更提高了其生物活性。本文著重綜合分析生物玻璃含量與燒結(jié)溫度對(duì)磷酸鈣陶瓷羥基磷灰石（HA）機(jī)械強(qiáng)度的影響。

1 生物玻璃

生物玻璃(bioglass)是能實(shí)現(xiàn)特定的生物、生理功能的玻璃總稱(chēng)。將生物玻璃植入人體骨缺損部位，它能與骨組織直接結(jié)合，起到修復(fù)骨組織、恢復(fù)其功能的作用。生物玻璃主要成分有Na2O、CaO、SiO2和P2O5，若添加少量其他成分，如MgO2、CaF2則可得到一系列有實(shí)用價(jià)值的生物玻璃。跟一般的玻璃不同之處就是生物玻璃降低了Si的含量（＜60%），同時(shí)增加Na跟P的含量，提高了P/Ca比例。其重要成分里含有磷元素跟鈣元素，所以也廣泛應(yīng)用于骨修復(fù)[3]。生物玻璃的機(jī)械強(qiáng)度低，只能用于承力不大的體位，如耳小骨、指骨等的修復(fù)。目前，生物玻璃大多數(shù)涂敷于鈦合金或不銹鋼表面，結(jié)合金屬的機(jī)械強(qiáng)度來(lái)作骨置換。

圖1 生物玻璃的含量及溫度對(duì)磷酸鈣支架機(jī)械強(qiáng)度的影響Fig.1 The content of the bioglass in the Ca/P ceramic and the sintering temperature would inf l uence the scaffold's mechanical strength

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 將生物玻璃與SiO2、P2O5、Na2O、CaO混合(見(jiàn)圖1)，發(fā)現(xiàn)煅燒至1200oC時(shí)，隨著生物玻璃含量的增加，HA支架的機(jī)械強(qiáng)度也增強(qiáng)；而煅燒至1300oC時(shí)，隨著生物玻璃的含量增加，支架的機(jī)械強(qiáng)度反而下降[4]。

2.2 Goller等人[5]比較不同生物玻璃，結(jié)合煅燒溫度，觀(guān)察生物玻璃加入HA的不同含量對(duì)磷酸鈣陶瓷機(jī)械性能的影響。生物玻璃Ⅰ僅僅是由P2O5 和CaO 兩種氧化物在1200oC煅燒而成。生物玻璃Ⅱ則在生物玻璃Ⅰ成分的基礎(chǔ)上加入Na2CO3，三種氧化物在1200oC下煅燒形成。從圖2可以看到，隨著生物玻璃Ⅰ含量的增加，支架的機(jī)械強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)；但在1200oC下煅燒形成的支架強(qiáng)度明顯高于在1300oC下所形成的。

圖2 生物玻璃Ⅰ的含量及溫度對(duì)磷酸鈣支架機(jī)械強(qiáng)度的影響Fig.2 The content of the bioglass I in the Ca/P ceramic and the sintering temperature would inf l uence the scaffold's mechanical strength.

圖3 生物玻璃II的含量及溫度對(duì)磷酸鈣支架機(jī)械強(qiáng)度的影響Fig.3 The content of the bioglass II in the Ca/P ceramic and the sintering temperature would inf l uence the scaffold's mechanical strength.

從圖3與圖2比較發(fā)現(xiàn)，含有生物玻璃II的支架的機(jī)械強(qiáng)度明顯低于含有生物玻璃I的支架。但此實(shí)驗(yàn)并不能證明，含三種氧化物的生物玻璃復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度就低于含二種氧化物的生物玻璃，只是加入適量的Na2CO3后所產(chǎn)生的結(jié)果。同時(shí)從圖3可以看出，在煅燒至1200℃時(shí)隨著生物玻璃含量的增加，支架的機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)；在煅燒至1300℃的時(shí)，支架的機(jī)械強(qiáng)度反而下降。

2.3 Kapoor 等人[6]將CaO、P2O5、Na2O 氧化物混合制備的生物玻璃，發(fā)現(xiàn)在煅燒至1250oC時(shí)，發(fā)現(xiàn)混合支架的機(jī)械強(qiáng)度隨著生物玻璃含量的提高而增強(qiáng)見(jiàn)圖4。

2.4 由SiO、Na2O、CaO、Al2O3、MgO等5種氧化物材料混合制備得到的生物玻璃，被馬莉等人[7]用于增強(qiáng)HA燒結(jié)的高溫粘接劑。從圖5可以看出，當(dāng)生物玻璃含量不變3wt.%的情況下，隨著煅燒溫度的上升（＜1200oC），支架的機(jī)械強(qiáng)度也相應(yīng)增強(qiáng)。同時(shí)從圖6曲線(xiàn)顯示，在相同溫度下，隨著生物玻璃含量的增加，磷酸鈣支架的機(jī)械強(qiáng)度也相應(yīng)提高。

圖4 在相同溫度下CaO-P2O5-Na2O生物玻璃的含量對(duì)磷酸鈣支架機(jī)械強(qiáng)度的影響Fig.4 At the condition of same temperature, the content of CaO-P2O5-Na2O bioglass in the CA/P ceramic would inf l uence the scaffold's mechanical strength

圖5 在相同含量下溫度對(duì)磷酸鈣支架機(jī)械強(qiáng)度的影響Fig.5 At the condition of the same bioglass content within the CA/P ceramic, the temperature would inf l uence scaffold's mechanical strength

圖6 在相同溫度下生物玻璃對(duì)磷酸鈣支架機(jī)械強(qiáng)度的影響Fig.6 At the condition of same temperature, the content of bioglass in the CA/P ceramic would inf l uence the scaffold's mechanical strength

3 討論

3.1燒結(jié)溫度對(duì)磷酸鈣陶瓷性能和強(qiáng)度的影響

在燒結(jié)初期，顆粒之間開(kāi)始只有點(diǎn)接觸，但是隨著溫度的升高，一方面羥基磷灰石（HA）內(nèi)部顆粒增大，顆粒間接觸面積擴(kuò)大，并且由于表面能的作用使顆粒聚集，體積收縮，氣孔率減少，致密化程度升高；另一方面，生物玻璃在700oC時(shí)開(kāi)始軟化，從玻璃固體相逐漸熔化成玻璃液相。在高溫和表面能的作用下，玻璃液相以空隙作為通道，通過(guò)表面擴(kuò)散和流動(dòng)等物質(zhì)遷移形式，在HA顆?；驁F(tuán)聚體表面形成一層液相膜，促進(jìn)HA顆粒及團(tuán)聚體的移動(dòng)和重排，以達(dá)到最密實(shí)的排布，從而使樣品體積收縮，氣孔率減少，致密化程度升高，這樣就導(dǎo)致了樣品強(qiáng)度的增強(qiáng)。而在1300oC時(shí)，隨著溫度的上升，部分HA與生物玻璃發(fā)生反應(yīng)，致使原料中的羥基磷灰石缺鈣，而缺鈣HA由于不穩(wěn)定，部分HA逐漸轉(zhuǎn)變成β-磷酸鈣(β-TCP)相。注意到圖1實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)與圖3實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)所使用的生物玻璃都含有鈉的氧化物，高溫下會(huì)形成以TCP為基的鈉的化合物，此化合物的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較差，從而影響了整個(gè)多孔材料的機(jī)械性能。同時(shí)注意到圖4實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)與圖5實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)同樣使用了氧化鈉作為生物玻璃的添加成分，但其燒結(jié)溫度為均為1250oC（＜1300oC），不會(huì)影響整體材料的機(jī)械性能。

3.2生物玻璃含量對(duì)多孔生物陶瓷性能和強(qiáng)度的影響

在燒結(jié)溫度相同的情況下，隨著生物玻璃含量的增加，多孔陶瓷樣品的收縮率逐漸減小，孔隙率逐漸減小，抗彎強(qiáng)度逐漸增大。這是由于添加生物玻璃會(huì)在樣品燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生液相，坯體內(nèi)的陶瓷顆粒會(huì)受到毛細(xì)管力的作用以及液相本身的粘性流動(dòng)，使顆粒調(diào)整位置、重新分布以達(dá)到最密實(shí)的排布，故使樣品逐漸致密化，即孔隙率減小。同時(shí)，液態(tài)生物玻璃可以修復(fù)HA在風(fēng)干時(shí)所形成的裂痕，從而提高多空支架的機(jī)械強(qiáng)度。

3.3生物玻璃成分對(duì)多孔生物陶瓷性能和強(qiáng)度的影響

以上6個(gè)實(shí)驗(yàn)分別用6種不同的生物玻璃測(cè)試，不能得出某種生物玻璃是最適合增加機(jī)械性能的材料。但生物玻璃中所含有的成分會(huì)影響其機(jī)械性能。在圖3所示的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)中減少了CaO，增加了Na2CO3,不能得出兩種氧化物合成的生物玻璃一定比三種氧化物合成的生物玻璃具有較好的機(jī)械性能的結(jié)論，而在圖3所示的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)，Ca的含量直接影響生物玻璃的機(jī)械性能，從而影響多孔陶瓷支架的機(jī)械強(qiáng)度。

4 結(jié)論

不同實(shí)驗(yàn)者由于所使用的材料與支架不同，雖然最終的具體數(shù)值不存在可比性，但從他們所得到的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)趨勢(shì)可以反映溫度以及生物玻璃的含量對(duì)HA多孔陶瓷機(jī)械性能的影響。

4.1 生物陶瓷在煅燒至1200oC時(shí)，支架的機(jī)械強(qiáng)度隨著生物玻璃量增加而增強(qiáng)；而當(dāng)在1300oC情況下，支架的機(jī)械強(qiáng)度反而因?yàn)樯锊ＡЯ康脑黾佣档汀?/p>

4.2 生物玻璃含量對(duì)多孔生物陶瓷的物相組成也有一定的影響，但影響較小。此外，生物玻璃的加入使樣品的機(jī)械性能強(qiáng)度明顯提高。

4.3 生物玻璃的組成成分對(duì)多孔陶瓷性能跟其含有的成分有較大影響。

[1] Suchanek W, Yoshimura M; Processing and properties of hydroxyapatite- based biomaterials for use as hard tissue replacement implants [J]. Mater Res. 1998. 13: 94–117.

[2] 張愛(ài)娟. 模擬體液中類(lèi)骨羥基磷灰石的合成[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 40(3) :86-89.

[3] Shi DL. Biomaterial and Tissue Engineering [M]. Springer. New York. 2004.

[4] Gultekin G, Hande D, Faik N, et al. Processing and characterization of bioglass reinforced hydroxyapatite composites[J]. Ceramics International, 2003, 29: 721–724.

[5] Faik N, Zhet O, Gu l. Sintering effects on mechanical properties of glass-reinforced hydroxyapatite composites[J]. Ceramics International, 2002, 28: 617–621

[6] Seema K and Uma B. Preparation and bioactivity evaluation of bone like hydroxyapatite - bioglass composite[J]. International Journal of Chemical and Biological Engineering, 2010, 3(1):24-28.

[7] 馬莉, 周科朝, 李志友, 等. 生物玻璃增強(qiáng)多孔羥基磷灰石生物陶瓷的制備及其性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2008, 18(10): 1886-1892.

高效肝臟細(xì)胞培育技術(shù)

日本東京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用胚胎干細(xì)胞高效培育肝臟細(xì)胞的技術(shù)，能夠使90%的小鼠胚胎干細(xì)胞發(fā)育成肝臟細(xì)胞，效率比先前的方法提高了9倍。

原來(lái)的培養(yǎng)方法，胚胎干細(xì)胞往往容易黏結(jié)成團(tuán)塊狀，影響培養(yǎng)效率。如果用藥物將團(tuán)塊分散開(kāi)，容易損傷細(xì)胞。新技術(shù)的是利用特殊的培養(yǎng)基，使胚胎干細(xì)胞在互相分離、不黏結(jié)的狀態(tài)下有效培育出均一的肝臟細(xì)胞。

培養(yǎng)基是利用能把細(xì)胞黏結(jié)在一起的“E鈣粘蛋白”，與特殊的抗體組合來(lái)制作的。細(xì)胞很容易附著在這種培養(yǎng)基上，而細(xì)胞之間難以結(jié)合在一起。將小鼠的胚胎干細(xì)胞均勻分布在培養(yǎng)基上，并添加促進(jìn)其分化成肝臟細(xì)胞的生理活性物質(zhì)，可以均勻地接觸到每個(gè)胚胎干細(xì)胞，從而大幅提高了效率。一般培養(yǎng)約20天后，有93%的胚胎干細(xì)胞發(fā)育成了肝臟細(xì)胞。

（本刊訊）

Research in the Performance of the HA Ceramic Scaffold Added with Bioglass

【W(wǎng)riter 】Zheng Wei Engineering Department, Queensland University of technology, Brisbane, Australia 4109

Bioglass, HA, scaffold mechanical strength

R318.01；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2011.02.007

1671-7104(2011)02-0100-03

2010-09-14

鄭衛(wèi)，E-mail: 13905862362@163.com

【 Abstract 】Selecting appropriate bone repair materials has been an issue in the area of research and development as well as clinical applications. The main concerns are the mechanical strength of the material as well as the biocompatibility of the material. Ca/P(calcium phosphate) ceramic belongs to the group of bioactive ceramic. It has become the central focus of alternative arti fi cial bone research. However, the mechanical strength of Ca/P ceramic has limited its further development. Adding bioglass to Ca/P ceramic has not only increased its mechanical strength, but also improved its bioactivity.