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新型有序纳米介孔生物活性玻璃在模拟体液中的表面生物活性研究


2009 年 08 月 第6卷 第4期
swgk2009-04-0063 文章编号:

生物骨科材料与临床研究
ORTHOPAEDIC BIOMECHANICS MATERIALS AND C LINICAL S

.1.

论著?实验研究

新型有序纳米介孔生物活性玻璃在模拟体液

中的表面生物活性研究
陈建伟 1,2 张权 1 严晓霞 3 黄煌渊 1

[摘要] 目的 评价新型有序纳米介孔生物活性玻璃 (80S MBG) 的体外生物活性及其对体液环境的影响。 方法 以 Novabone 为对照, 利用模拟人体体液体外浸泡实验 (SBF) 的方法和扫描电镜 (SEM) 等离子发射光谱仪 、 (ICP) pH 仪等技术, 比较 80S MBG 与 Novabone 体外生成类似于天然骨中无机矿物的羟基磷灰石 (HA) 的能力, 分析 SBF 中 各离子浓度、 值的变化情况。 结果 80S MBG 在 SBF 中浸泡 4h 表面即有羟基磷灰石 pH (HA) 生成, 浸泡 1 ~ 4h SBF 中 Ca、 Si 的离子浓度迅速达到峰值, 后逐渐降低直至稳定, 仅在 7.40 ~ 7.65 范围内变化。结论 80S P、 8h pH MBG 的体外生物活性更高, 对体液微环境的影响更轻微, 作为骨组织修复替代材料或骨组织工程支架材料具有较 高的研究和应用价值。 [关键词] 生物活性玻璃; 模拟人体溶液; 体外; 生物活性 [中图分类号]R318.08 [文献标识码]A

The Study of the Mesoporous Bioactive Glass Biological Behavior in Stimulated Body Fluid Chen Jianwei1,2 Zhang Quan1* Yan Xiaoxia3 , al. 1) et ( Department of Orthopedics, Huashan Hospital, Fudan University, Shanghai 200040, China ; Department of Orthopedics, Renji Hospital, Jiaotong University, Shanghai 200127, China; (2) (3)Department of Chemistry, Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials, Fudan University, Shanghai 200433, China [Abstract] Objective To evaluate the bioactivity of mesoporous bioactive glass(80S MBG) and it's effect on the biological environment in vitro. Methods The bioactivities of 80S MBG and Novabone by soaking in Stimulated Body Fluid (SBF) was studied. SEM 、 and pH Meter were employed to study the surface structure change, Ca、 Si concentration ICP P、 change and pH change in SBF. Results In SBF, it was found that HA took place at the surface of 80S MBG after 4h, Ca、 P、 concentration rapidly reach the peak in 1~4h. And that pH change was very slight, from 7.40 to 7.65. Conclusion Si 80S MBG has higher bioactive in vitro and lower effect on SBF than Novabone. It may be used as bone-repaire and bonesubstitute materials in the future. [key words] Bioactive glass ;SBF ;In vitro ;Bioactivity

引言 我国每年因创伤、骨肿瘤和骨结核等疾病造成的骨 延迟愈合、 骨不连、 骨缺损的病人达数百万, 急需大量的 骨修复材料。 但是由骨胶原和羟基磷灰石构成的骨骼是 自然界的一种天然纳米复合材料, 其具有的性能是各种 骨修复材料都难以达到的, 因此合成与骨骼完全一样的 人 工 骨 非 常 困 难。近 年 来 随 着 骨 组 织 工 程 学 的 快速 发

展, 具有良好骨传导性、 生物活性及生物相容性的纳米材 料和生物玻璃开始应用于支架载体, 现已成为组织工程 学和材料学中的热点研究方向。 近年来我们也开展了相 关方面的研究工作, 研制成一种新型有序纳米介孔生物 [1, 2] 活性玻璃 (mesoporous bioactive glass,80S MBG)。本文对 其在模拟体液 (Simulated Body Fluid ,SBF) 中的行为进行了 研究, 并分析其表面生物活性及其溶出离子对体液微环 境的影响。

1 材料和方法
国家自然科学基金资助项目 (30571877) *基金项目: 作者单位: 复旦大学附属华山医院骨科, 上海 200040; 上海交通 1 2 大学医学院附属仁济医院骨科, 上海 200127; 复旦大学化学系无机 3 材料合成实验室多孔材料课题组, 上海 200433

1.1 材料 生物活性玻璃 80S MBG 由复旦大学化学系无机材料 合成实验室多孔材料课题组研制并提供; Novabone 为上海

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申润医疗设备有限公司代理产品, 两者组成见表 1。本实 验将两者在玛瑙研钵中研磨, 过筛后取 38 ~ 76 m的颗粒
表1
材料 MBG NovaBone
R

用于体外生物活性测试。

两种材料的组成和结构
Na2O — 26 S 300 — V 0.40 — D 5.0 — Mesostructure p6mm —

CaO 15 27

SiO2 80 40

P2O5 5 3

1.2 模拟人体溶液 按照 Kokubo 等 选用的离子浓度进行配制, 将分析纯
[3]

g Na2SO4 按顺序溶于蒸馏水中,充分溶解后稀释至 1000ml, 用 Tris 缓冲液 (CH2OH) 3CNH2 和 2mol/L 盐酸调整 pH 值至 7.40。溶液中各种无机离子浓度及缓冲能力与人体血浆 基本相同, 详见表 2。

化的 7.995 g NaCl、 0.353 g NaHCO3、 0.224 g KCl、 0.228 g K2HPO4 ? 3H2O、 0.368 g CaCl2、 0.305 g MgCl2 ? 6H2O、 0.071

表 2 模拟体液组成各离子浓度(mM) pH=7.4
Na+ SBF 人血浆 142 142 K+ 5 5 Mg2+ 1.5 1.5 Ca2+ 2.5 2.5 CI147.8 103.0 HCO34.2 27.0 HPO421. 1. SO420.5 0.5

1.3 体外浸泡实验 准确称取 8 组 80S MBG 和 Novabone 样品 0.1 g , 将每 份样品浸泡在 100ml SBF 中, 密闭后放入恒温调速回转式 摇床, 温度 37±0.5℃, 转速 160r/min; 每组反应时间分别为 0、 4、 8、 24 和 48h; 2、 6、 16、 样品在 SBF 中反应设定时间后进 行抽滤, 测量滤液中 Ca、 和 P 的浓度, Si 以及滤液的 pH 值; 样品粉末用丙酮冲洗后在空气中干燥进行如下测试: (1) 样品在扫描电镜 (SEM, Philips XL-30) 下观察表面形貌和 ( 结构;2) 等离子发射光谱仪 (ICP,美国 Thermo Elemental 公 ( 司 ) 检测 SBF 中 Ca、 Si 含量;3) pH 仪测定溶液中 pH 的 P、 变化。

晶体之间进一步团聚形成球形晶簇, 且相互融合。

2 结果 2. 1 80S MBG 和 Novabone 在 SBF 中浸泡后的表面形貌和 结构观察 图 1 是 80S MBG 和 Novabone 在 SBF 中浸泡 0、 8、 4、 (SEM×20000 倍 )。图 1 a1、 是浸 16h 时的扫描电镜照片 b1 泡前的表面形貌, 可以看出 80S MBG 表面基本光滑平整, 而 Novabone 表面较为粗糙。Novabone 在 SBF 中浸泡 8h 后表面形貌变化不明显 (图 1 b2、 , b3) 直至 16h 表面才有 较致密的细棒状晶体生成 (图 1 b4) 。与 Novabone 不同, 80S MBG 在 SBF 中随着 Ca、 的释放, P 表面逐步形成细棒 状晶体。 从图 1 a2、 a4 中可以看出 80S MBG 在浸泡 4h a3、 时表面已有颗粒状产物隆起, 材料整个表面覆盖着一 8h 层的细棒状晶体, 细棒状晶体数目增多, 16h 尺寸增大,

图1

MBG 80S a1、 a3、 和 NovaBone(b1、 b3、 ) 在 SBF ( a2、 a4) b2、 b4

液中不同浸泡时间的 SEM 图:1)0 h;2)4 h;3)8 h;4)16 h ( ( ( (

2.2 SBF 中 Ca 、 Si、 的变化 P、 pH 根据 ICP 测试结果,80S MBG 和 Novabone 在 SBF 中 浸泡 48h, 、 P 含量的变化如图 2 ~ 4 所示。 Ca Si、

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.3.

Ca2+的变化趋势大致相同 (图 2) 80S MBG 在 SBF 溶 , 2+ 液中浸泡 2h [Ca ] 达到最大值, Novabone 在 4h 达到最大 值, 之后两者快速下降, 虽有微弱的回升, 但维持在较低水 平; 不过值得一提的是, 80S MBG 相比, 与 Novabone 浸泡 2+ 液的 [Ca ] 始终处于较高水平。

与 Ca 、 P 浓度变化相对应, 值开始 2h 就迅速增 Si、 pH 高, 以后稍有波动基本上维持不变。 但是从图 5 中可以看 出, 两者上升的值却不相同, Novabone 基本维持在 8.0 且 以上, 80S MBG 只上升到 7.65。 而

图2

Ca2+ 浓度变化

图5

pH 值变化

P 浓度与 [Ca2+] 的变化趋势基本一致 (图 3) P 的浓度 : 在浸泡 2h 后达到最大值, 然后 80S MBG 迅速下降, 8h 约 后变化缓慢; Novabone 在 6h 达到一低值, 有所回升, 8h 之 后出现缓慢减少趋势。

图3

P 浓度变化

两种材料 Si 变化情况相似 (图 4) 在 4 ~ 6h 内 Si 含 , 量迅速增加, 然后虽有波动, 但浓度基本维持恒定。

图4

Si 浓度变化

讨论 材料表面类骨磷灰石的形成是研究材料生物活性的 5、 前沿课题, 多数研究者认为[4、 6],测试生物材料在SBF 溶液 中浸泡初期表面形成 HA 的能力, 是衡量其生物活性的主 要标志。目前已知的影响 HA 形成的因素有很多, 大致可 分为两大类, 一类来自材料本身, 包括材料的组成、 材料结 构 (包括孔容、 孔径、 比表面积等) 以及材料的颗粒大小等; 另一类是来自体外因素, 如进行生物活性测试时所选用的 溶液体系 (SBF 溶液、 缓冲溶液等) 试验温度、 Tris 、 振摇速 度和材料及溶液的用量比等。 在本次 80S MBG 和Novabone 的表面生物活性对照研究中, 体外因素均保持一致, 所以 两者试验结果中存在的差异只能源于材料的组分、 结构的 不同。 8] 有文献表明 [7、 , 材料结构 (孔容、 孔径) HA 的成核 对 生长具有非常关键的作用, 与材料的成骨活性直接相关。 对照表 1 可知,80S MBG 为多孔材料,介孔平均直径为 5.0nm, 孔容 0.40 cm3/g, 比表面积为 300 m2/g; Novabone 是 在溶液中随着Ca、 P 离子的释放, Si、 表面才形成介孔结构。 80S MBG 的这种先天的介孔结构提高了材料与模拟体液 或组织液的作用范围, 明显有利于提高了化学反应活性和 降解速度; 所以如图 2、 所示, 80S MBG 的 SBF 浸泡液 3 在 中, CaO-P2O5 溶解更快, 从而使Ca、 离子浓度增高更迅速, P 2+ 3使溶液内 Ca 和 PO4 浓度很快就达到过饱和, 尤其是在不 利于液体流动和离子扩散的介孔内, 离子浓度积累增高超 出成核阈值, 使样品表面快速结晶出类骨羟基磷灰石; 此 外 80S MBG 含有比 Novabone 更高的 SiO2 组分, SBF 中 在 其表面可能更易聚合成富硅层, 从而有利于快速溶解的 3

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Ca2+ 和 PO43- 在表面沉淀, 形成类骨的羟基磷灰石 (见图 6) 。 所以 80S MBG 和 Novabone 在 SBF 溶液中反应不同时间 的 SEM 形貌和类骨羟基磷灰石生成时间显著不同:80S MBG 在 SBF 溶液中以较高的速度形成表面类骨羟基磷灰

石, 说明材料对于生理环境有较强的适应特性及较高的生 物活性, 预示着材料植入骨床后能较快的与自体骨形成骨 性结合。

类骨羟基磷灰石层 富硅层 生物玻璃 生物玻璃 生物玻璃
图6 生物玻璃表面反应层次 ew Chem Int Ed Engl. 2004 Nov 12;43(44):5980-4 [3 ] Kokubo T, Kushitani H, Sakka S, et al. Solutions able to reproduce in vivo surface-structure changes in bioactive glass-ceramic A-W [J]. J Biomed Mater Res. 1990 Jun;24(6):721-34. [4 ] [5 ] Chuang KS , Chen C Y, Yuan L J , et al . Shape - based grey - level image interpolation [J ] . Phys Med Biol , 1999 , 44 (6) : 1565-77. Grevera GJ , Udupa J K. Shaped - based interpolation of multidimen- sional grey - level images IEEE Trans [J ] . Med Imaging , 1996 , 15 (6) : 881-92. [6 ] Higgins W E , Orlick C J , Ledell B E. Nonlinear filtering approach to 3- D gray - scale image interpolation [ J ] . IEEE Trans Med Imaging , 1996 , 15 (4) : 580-7. [7 ] M. M. Pereira, L. L. Hench, Mechanism of Hydroxyapatite Formation on Porous Gel-Silica Substrates [J]. J Sol-Gel Sci. Technol. 1996 , 7, 59. [8 ] M. M. Pereira, A. E. Clark, L. L. Hench, Effect of Texture on the Rate of Hydroxyapatite Formation on Gel-Silica Surface [J]. J. Am. Ceram. Soc. 1995, 78, 2463.
[作者简介]陈建伟(1977.04- )男, 硕士, 主治医师, 研究方向: 脊柱外科, 生 物骨材料。 [通讯作者 ]张权, 复旦大学附属华山医院骨科, 20004zq951098@hotmail.com

富硅层

由图 2 可知, 在浸泡初期 Ca2+的浓度迅速达到最大值, 这是由于材料中 Ca 与溶液中 H 发生离子交换所致,伴
2+ +

随着这一过程, SBF 的 pH 值也随着 OH 的相对增多而增 高 (图 5) 由于 80S MBG 含有比 Novabone 较低的 CaO 组 , 分, SBF 溶液中 [Ca2+] 始终处于较低水平, - 的增多相对 OH 较少; 更主要的是 80S MBG 无 Na2O 组分, 所以在浸泡反 应过程中, 不存在类似于 Novabone 的 Na + -H +离子交换, 导致 pH 值升高的情况。所以 80S MBG 对生理环境的 pH 值的影响较小, 在体内动态环境中, 体液酸碱度波动幅度 有可能始终接近在生理正常范围内。 由图 2 ~ 4 可知, MBG 在 SBF 溶液中 1 ~ 4h 离子 80S 溶出达到峰值, 其离子溶出行为较好地反映出材料在生理 环境中具有良好的降解性, 这使材料在促进新骨形成的同 时, 本身随之代谢从体内降解, 这种性能对骨组织工程支 架是十分必要的。



4

结论 新型有序纳米介孔生物活性玻璃 80S MBG 具有均匀 的纳米级的介孔结构及较高的比表面积, 在人体模拟生理 溶液中浸泡后可在较短的时间内形成表面类似于天然骨 中无机矿物的羟基磷灰石, 具有较高的生物活性, 较强的 降解性, 且反应后对微环境的 pH 值的影响较小, 可大致保 持局部体液酸碱稳定, 作为骨组织修复替代材料或骨组织 工程支架材料具有较高的研究和应用价值。
参考文献 [1 ] Yan X., Deng H.X., Huang X.H., et al. Mesoporous bioactive glasses. I. Synthesis and structural characterization [J]. Journal of

(收稿日期: 2009-04-12)

Non-Crystalline Solids. 2005 ,Sep;3:1-9. [2] Yan X, Yu C, Zhou X, et al. Highly ordered mesoporous bioactive glasses with superior in vitro bone-forming bioactivities [J]. Ang-


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