李智慧，張立，劉濤，鞠鳳宇，丁新波

(浙江理工大學，a.材料與紡織學院；b.科技與藝術(shù)學院，杭州 310018)

中空生物玻璃形貌結(jié)構(gòu)及其活性研究

李智慧a，張立a，劉濤b，鞠鳳宇a，丁新波a

(浙江理工大學，a.材料與紡織學院；b.科技與藝術(shù)學院，杭州 310018)

以聚丙烯酸(acrylic acid，PAA)為模板劑，加入氨水作為催化劑，促進正硅酸乙酯(tetraorthosilicate, TEOS)的水解，然后通過溶膠-凝膠法制備中空生物玻璃球(hollow bioactive glass, HBG)；以浸泡模擬體液方法研究其生物活性。場發(fā)射電鏡和透射電鏡考察結(jié)果表明，所制備的生物玻璃為表面光滑、規(guī)整的球形，內(nèi)部呈中空，分散性好；能譜分析顯示，自組裝后四水硝酸鈣和磷酸三乙酯已穩(wěn)定于HBG表面；體外生物活性研究顯示，經(jīng)過模擬體液浸泡后，HBG能夠誘導(dǎo)類骨的羥基磷灰石在其表面沉積，表明其具有較好的生物活性。

生物玻璃；中空納米微球；溶膠凝膠法；生物活性

0 引 言

自Hench等在1971年通過熔融法制備出作為骨骼或牙齒的替代物的生物玻璃以來，生物玻璃作為一類具有組織修復(fù)功能的特種玻璃材料備受生物醫(yī)用材料界的關(guān)注[1-3]。由于生物玻璃具有特定的化學組成，能與生物體內(nèi)的組分相互交換或反應(yīng)而生成與生物體相容的物質(zhì)，使其最終成為生物體的一部分[4]。生物玻璃中溶解出來的無機離子(如硅、磷、鈣等)，能夠激活生長因子表達、誘導(dǎo)骨組織細胞往成骨方向分化、促進成骨細胞的增殖；進而與骨硬組織(如骨、牙組織)形成牢固的化學鍵合，起到修復(fù)骨骼性能作用[5]。此外，生物活性玻璃還能與軟組織結(jié)合，促進皮膚的再生[6]。

近年來，隨著微納米生物玻璃研究的興起，合成工藝、化學組成、微觀形貌、精細結(jié)構(gòu)、尺寸效應(yīng)等對生物玻璃材料的理化性的影響受到極大關(guān)注[7]。與傳統(tǒng)的生物玻璃相比，在CaO-SiO2-P2O5組成的三元體系中，中空生物玻璃具有較大的比表面積、孔容和較好的生物相容性[8-10]。與不規(guī)則顆粒相比，生物玻璃微納米球材料(如中空結(jié)構(gòu)、介孔結(jié)構(gòu))具有良好的流動性和優(yōu)異的生物活性，可作為裝載藥物、生長因子及基因等輸送載體應(yīng)用于骨疾病的治療[11-12]。本文以聚丙烯酸(acrylic acid, PAA)為模板，結(jié)合溶膠-凝膠法，通過生物玻璃主要組分硅磷鈣的摩爾比為80∶10∶10來制備中空生物玻璃球。利用場發(fā)射電鏡(field-emission scanning electron microscopy, FESEM)和透射電鏡(transmission electron microscopy, TEM)對中空生物玻璃球的形貌進行考察，利用傅立葉紅外光譜(fourier transitioned infrared spectroscopy, FTIR)和能譜分析(energy dispersive spectrometer, EDS)對中空生物玻璃球的成分進行定性分析。最后進一步實施體外生物活性研究，探討其生物活性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

正硅酸乙酯(tetraorthosilicate, TEOS)；無水乙醇(EtOH)；33%氨水(NH4OH)；聚丙烯酸(PAA，分子量3000)；磷酸三乙酯(triethylphosphate, TEP)；四水硝酸鈣(CaNT)；去離子水。以上試劑均為分析純級別。

1.2 中空生物玻璃球的制備

中空生物玻璃球的制備原理如圖1所示。首先，將0.4 g PAA和4.5 mL的NH4OH溶于90 mL無水乙醇中，攪拌均勻；再加入3.6 g TEOS，繼續(xù)攪拌10 h，得到透明溶液。按硅源、磷源、鈣源摩爾比為80∶10∶10比例，在上述溶液中間隔1 h依次加入0.51 g四水硝酸鈣、0.79 g TEP，至反應(yīng)完全；常溫下繼續(xù)攪拌72 h，形成乳白色溶液。然后，將反應(yīng)后的溶液經(jīng)多次離心，乙醇、去離子水洗滌后，80 ℃烘干，得到白色粉末。最后，將干燥的白色粉末在550 ℃馬氟爐中煅燒10 h，去除模板劑后即得中空生物玻璃球。

1.3 表征及性能測試

1.3.1 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)和能譜分析

中空生物玻璃球表面形貌及粒徑測試在場發(fā)射掃描電子顯微鏡下(HITACHIS-4800型，日本)進行，同時采用附帶的電子能譜儀進行成分分析，加速電壓為3 kV。觀察樣品的制備方法如下：取微量待測樣品分散于無水乙醇中，超聲20 min，用毛細管吸取少量分散好的溶液滴在硅片上；用導(dǎo)電膠粘在樣品臺上，紅外燈下干燥1 h后用于分析。

1.3.2 透射電子顯微鏡(TEM)分析

樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形貌采用透射電子顯微鏡(JEOL-2100型，日本)下進行觀察，加速電壓為200 kV。觀察樣品的制備方法如下：取微量待測樣品分散于無水乙醇中，超聲20 min，使分散液略微渾濁；用毛細管吸取少量分散好的懸濁液滴在銅網(wǎng)上，紅外燈下干燥3 h后進行檢測。

1.3.3 N2吸附測試

采用Micromeritics ASAP2020物理吸附儀(麥克公司，美國)，以液氮為吸附介質(zhì)，在77 K條件下進行檢測。觀察樣品的制備方法如下：將樣品在真空條件下脫氣5 h，脫氣溫度為200～220 ℃。

1.3.4 體外生物活性測試

通過浸泡法制備模擬體液，分析中空生物玻璃球表面沉積羥基磷灰石的能力來評價中空生物玻璃球的生物活性。首先，將樣品粉末放入(按照粉末質(zhì)量與模擬體液體積比為1.5 mg/mL)Kokubo法[1]制備的模擬體液中，放入37 ℃恒溫恒濕箱中培養(yǎng)7 d；然后，取出浸泡過模擬體液的樣品過濾、清洗、烘干，利用FESEM來考察表面沉積羥基磷灰石的能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 中空生物玻璃球的形貌結(jié)構(gòu)及組合分析

圖2和圖3分別為中空生物玻璃球的FESEM圖和TEM圖。從圖2可知，所制得的生物玻璃呈規(guī)整的球形結(jié)構(gòu)，其表面光滑，單分散性好，粒徑范圍為(130.4±25.6) nm。圖3顯示，中間呈現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)，而殼層為有Si-Ca-P三組分構(gòu)成的生物玻璃，說明無機成分已成功包覆在有機成分PAA的表面。由于PAA分子中含有大量的羧基，在離心作用下，羧基之間通過分子之間的氫鍵作用凝聚成球形；而硅源中又富含硅羥基(Si-OH)；硅羥基與PAA中羧基通過分子間氫鍵作用，使硅源能有序、均勻的附著于PAA球表面；而鈣源和磷源的相繼引入，并通過體系之間自發(fā)的關(guān)聯(lián)和協(xié)同作用，組裝成緊密而有序的球形生物玻璃整體；通過煅燒移除模板PAA，獲得納米級中空生物玻璃球。

圖2 中空生物玻璃球的FESEM照片

圖3 中空生物玻璃球的TEM照片

為進一步明確所制得的中空生物玻璃的各組分，在對中空生物玻璃球進行FESEM表面形貌檢測的同時，采用附帶的電子能譜儀(EDS)進行成分分析，其結(jié)果如圖4所示。由圖可知，于0.52 keV和1.74 keV處出現(xiàn)強的衍射峰，而2.02 keV和3.70 keV處出現(xiàn)了弱的衍射峰，與生物玻璃的特征衍射峰相匹配，說明所制樣品為生物玻璃。其中0.52 keV處為O元素，1.74 keV處為Si元素，2.02 keV處為P元素，3.70 keV處為Ca元素，表明Si、Ca和P元素已經(jīng)成功引入，即殼層生物玻璃是由SiO2-CaO-P2O5三元體系組成[13]。

圖4 中空生物玻璃元素分析

圖5所示為中空生物玻璃的氮氣吸附-脫附等溫線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該生物玻璃在氮氣吸附-脫附等溫線0.8～1.0范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的滯后圈，是Ⅳ型吸附曲線，這一特征說明所制得的樣品屬于典型的介孔中孔材料。這主要是因為在較低的相對壓力下，單分子層吸附；在較高的相對壓力下，吸附質(zhì)發(fā)生毛細管凝聚。所有孔發(fā)生凝聚后，吸附只發(fā)生在遠小于表面積的外表面，曲線平坦。在相對壓力接近1.0，在大孔上吸附，曲線上升。

圖5 中空生物玻璃的氮氣吸附-脫附等溫線

2.2 體外生物活性研究

分析中空玻璃的生物活性，將其浸泡在模擬體液中7 d，通過觀察其表面羥基磷灰石形成能力來評估其生物活性，結(jié)果如圖6所示。從圖2和圖3所示的FESEM和TEM圖中可以看出，沒有經(jīng)過模擬體液浸泡的生物玻璃其表面光滑、平整。而經(jīng)過模擬體液浸泡后，圖6中發(fā)現(xiàn)中空生物玻璃表面明顯變粗糙，呈龜裂狀，與文獻[14]報道在模擬體液中沉積的羥基磷灰石的形貌相似。

圖6 浸泡模擬體液后的FESEM照片

圖7 浸泡模擬體液后的EDS圖

3 結(jié) 論

a)通過在傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法中加入了軟模板劑PAA，制備規(guī)整的中空生物玻璃球，在離心和分子間氫鍵作用下成核，利用Si源、Ca源和P源各體系之間自發(fā)的關(guān)聯(lián)和協(xié)同作用，形成了以PAA為核心，生物玻璃在表面形成完整的殼結(jié)構(gòu)，煅燒去除PAA后獲得了中空生物玻璃球。

b)FESEM、TEM、EDS考察以及氮氣吸附-脫附研究顯示，所得樣品為分散性好、表面光滑、粒徑為(130.4±25.6) nm的規(guī)整中空球形，其殼層為SiO2-CaO-P2O5三元體系生物玻璃。

c)在模擬體液中浸泡7 d后，該中空生物玻璃球表面形成了明顯、厚實的沉積層，EDS顯示其P元素和Ca元素衍射特征峰顯著增強，具有強的羥基磷灰石形成能力和較好的生物活性，可以作為藥物緩釋的載體以及應(yīng)用于骨疾病的治療。

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(責任編輯： 廖乾生)

Synthesis and Bioactivity of Hollow Bioactive Glass Nanospheres

LI Zhihuia, ZHANG Lia, LIU Taob, JU Fengyua, DING Xinboa

(a. College of Materials and Textiles; b. Keyi College, Zhejiang Sci-TechUniversity, Hangzhou 310018, China)

The hollow nanospherical bioactive glasses were conducted though sol-gel method with poly acrylic acid (PAA) as the template, and hydrolysis of tetraorthosilicate(TEOS) was promoted by adding ammonia as catalyst. And its bioactivity was evaluated by immersion in simulated body fluid (SBF). The FESEM and TEM images of the HBG samples display that the HBG samples are smooth surface, regular spherical shape, hollow and dispersive. The energy dispersive spectrometer demonstrates that the calcium nitrate and triethylphosphate were stably assembled on the surface of HBG by self-assembly. In vitro bioactivity test indicate that the HBG may induce the hydroxylation of bone-like bone after soaking in SBF and the apatite is deposited on the surface. Thus, the HBG material is considered to have a good bioactivity.

bioactive glass; hollow nanospheres; sol-gel method; bioactivity

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.09.021

2016-10-25 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2017-01-19

浙江省自然科學基金項目(LY14E030014, LY16E020012)；浙江省教育廳項目(Y201534618)

李智慧(1991-)，女，河南安陽人，碩士研究生，主要從事產(chǎn)業(yè)用紡織品方面的研究。

丁新波，E-mail：dxblt@zstu.edu.cn

TQ127.2

A

1673- 3851 (2017) 05- 0737- 05