基本介紹
- 中文名：生物微晶玻璃
- 外文名：Biologic Glass-ceramic
- 所屬學科：材料學
發展和套用,骨科牙科修復材料,玻璃基骨水泥,藥物載體材料,骨組織工程,介入治療用玻璃材料,生物微晶玻璃的製備方法,熔融法,燒結法,水熱法,熱處理,生物微晶玻璃的性能要求,生物相容性和生物活性,強度和韌性,可切削加工性,展望未來,
發展和套用
1971 年，美國 Hench教授偶然發現將 Na2O-CaO-SiO2-P2O5系統（Bioglass）的玻璃材料植入生物體內，作為骨或牙齒的替代物，材料中的組分可以同生物體內的組分互相交換或者反應，最終形成與生物體本身相容的物質，構成新生骨骼和牙齒的一部分。由此，他首次提出生物活性的概念，揭開了生物玻璃用於骨修復材料研究的重要一頁。但Bioglass 的鉀、鈉含量極高，因而化學穩定性不好，從而影了其長期耐久性，且強度較低，只有 70 MPa，因此其套用受到限制。繼Hench 之後，又有多種生物活性玻璃不斷被開發研製出來。Agathopoulos 等在生物活性玻璃成分基礎上，減少鉀、鈉含量，增加鈣、硼等含量，合成了SiO2-Al2O3-B2O3-MgO-CaO-Na2O-F 系生物微晶玻璃。近來，又出現了磷灰石-鈣矽石生物微晶和玻璃聚乙烯增強的生物玻璃等。 隨著各種新材料、新技術的發展與套用，生物微晶玻璃的種類和製備方法等都有了迅速的擴展，並得到了更廣泛的套用。從材料的用途來看，主要在5個領域。
骨科牙科修復材料
骨科手術中無機生物材料仍然是最重要的修復、替代材料之一，其中具有生物活性的 Bioglass、羥基磷灰石、磷酸三鈣、A/W生物微晶玻璃、生物活性塗層材料等已經在臨床上得到成功套用。在這些材料中，A/W 生物微晶玻璃不僅具有良好的生物活性，還具有很高的力學性能，因此其套用更具特色，可以被製備成緻密或多孔的塊體和粉體材料套用於椎骨、椎間盤、髂骨帽或相應部位的填充料。 用 A/W 生物微晶玻璃修復脊椎疾病已取得非常良好的療效。除此，生物微晶玻璃在人工中耳骨改善聽力、下頜骨缺損修復、齶裂整復術中均有研究並取得了一定的進展
玻璃基骨水泥
玻璃基骨水泥能在調和溶液的作用下幾分鐘之內固化，在幾周之內與生物骨形成骨性結合，並呈現出較高的抗壓強度。由於玻璃基骨水泥具有良好的生物活性和易成形等特點，克服了其他植入材料的缺點，可以預見玻璃基骨水泥的研究將會更深入，更加受到重視，其在臨床上的套用也將愈來愈廣泛。以 CaO-SiO2-P2O5系統生物玻璃和磷酸銨調和液混合製得玻璃基生物骨水泥，所生成的羥基磷灰石晶體在形貌、結構和組成等多方面均與人體骨類似，有利於作為生物醫用材料的套用。
藥物載體材料
在感染部位直接持續使用高濃度的抗生素藥物是治療骨及深部軟組織感染的理想方法。基於這一思想，已有選擇具有生物活性的玻璃瓷材料作為藥物載體材料的研究報導。套用玻璃結晶法製備的以磷酸鈣為主體的多孔微晶玻璃載體材料，以利福平作為模型藥物進行了體外釋藥試驗。研究表明該載體材料能夠在高濃度水平下長期維持藥物的穩定釋放；研究結果還顯示調節磷酸鈣纖維的幾何尺寸可以有效地改變載體材料的空隙率，因此有望成為一種理想的藥物控釋性釋放的新型無機載體材料。
骨組織工程
骨組織工程是將分離的自體高濃度成骨細胞、骨髓基質細胞或軟骨細胞，經體外培養擴增後種植於一種天然或人工合成的，具有良好生物相容性並可被人體逐步降解吸收的細胞支架或稱細胞外基質上。由於生物玻璃等無機材料具有良好的生物相容性、可降解性，並具備骨傳導和骨誘導作用，所以尤其適合作為骨組織工程的載體。一些生物玻璃作為骨組織工程的材料正處在理論及實驗研究階段，但現有的研究報告已經預示著生物玻璃作為骨組織工程的載體材料有著廣闊的套用前景。將骨髓基質幹細胞分別和生物玻璃、可切削生物活性微晶玻璃在體外進行培養 10 d 後，在可切削生物活性微晶玻璃的孔隙內或表面，有大量的膠原纖維絲相連，部分膠原纖維絲跨越孔隙。孔隙內可見多量細胞生長，而生物玻璃內並未見有明顯的膠原纖維。
介入治療用玻璃材料
生物玻璃材料由於具有對人體組織無刺激性、無致癌性。且易製成微球、不會造成血栓等特點，是很適宜作介入治療的載體材料。添加了少量B2O3和P2O5後的Fe2O3-CaO-SiO2體系鐵磁微晶玻璃，具備磁性和生物活性這兩種重要性能，被認為是溫熱療法治療癌症的有效熱種子材料(thermo-seeds)。這種方法在需要深入種植部位的腫瘤治療中具有顯著優勢，如骨腫瘤等。因為這種熱種子具有生物活性不會對人體組織造成傷害，治癒後也不需要取出來。將微晶玻璃與骨組織相連，一方面在熱療過程中能準確定位不會移動到其他地方，另一方面在癌細胞殺死後微晶玻璃不取出來，仍起到加強被腫瘤削弱的骨組織作用。CaO-Fe2O3-P2O5系統微晶玻璃在 50 Hz，一定的交變磁場作用下，已有明顯的磁熱效應。該樣品在模擬生理液中能穩定存在，且經過一定時間後，可產生羥基磷灰石，是一種有希望的磁熱治癌的生物材料。
生物微晶玻璃的製備方法
生物微晶玻璃的發展是與其製備技術的發展緊密聯繫在一起的。微晶玻璃的一般製備方法有熔融法和燒結法。這些方法在生物微晶玻璃的製備中都占據了一定的地位，並具有各自相應的特點。
熔融法
熔融法的一般工藝過程是，在原料中加入一定量的晶棱劑並混合均勻，於 1 400～1 500 ℃高溫下熔制，均化後將玻璃熔體成型，經退火後在一定溫度下進行棱化和晶化，以獲得晶粒細小且結構均勻的微晶玻璃製品。它的最大特點是可沿用任何一種玻璃的成型方法。與通常的陶瓷成型工藝相比，適合自動化操作和製備形狀複雜、尺寸精確的製品。熔融法由於製備 工藝簡單，容易控制而便於大規模生產，但熔融溫度高，能耗大，污染嚴重，特別是對於生物玻璃，高溫容易使配合料中的磷、氟等元素揮發，使其成分的控制難以精確，另外玻璃的高溫熔制容易導致Si-OH功能團的減少，且得到的生物材料中 Ca2+的溶解性能相對較低，這些因素都會降低材料的生物活性。用熔融法製備雲母基玻璃陶瓷時，由於熱應力的存在，壁厚和大體積樣品易產生裂紋或破碎。
燒結法
燒結法能克服傳統的熔融法製備微晶玻璃存在的局限性，如玻璃熔制溫度有限，熱處理時間長等。燒結法製備微晶玻璃的工藝流程如下：配料-熔制-水淬-粉碎-過篩-成型-燒結-加工。燒結法製備微晶玻璃不需要通過玻璃形成階段，因此適於極高溫熔制的玻璃以及難以形成玻璃的微晶玻璃的製備。用該法製備的微晶玻璃中可存在含量較高耐高溫晶相。此外。燒結法還有一個顯著的特點，即玻璃經過水淬後，顆粒細小，比表面積增加。比熔融法製得的玻璃更易於晶化，因而有時可以不使用晶核劑，也可以製備出性能良好的微晶玻璃材料。用粉末-燒結法製備的鈣磷酸鹽微晶玻璃，燒結溫度為 950 ℃時，微晶玻璃中析出的β-Ca2P2O7量最大，而β-Ca2P2O7具有優良的生物活性，所以此材料有望具有較高的生物活性。再如燒結法製備雲母基玻璃陶瓷：將配製的原料混合均勻後，在高溫下熔化，然後將融熔的玻璃倒入水中淬成玻璃碎片，將玻璃碎片研磨到合適的粒度，再通過粉末冶金方法成形，壓製出所需形狀的壓坯，然後再經燒結析晶得到雲母基玻璃陶瓷。該方法的優點是可以根據產品的需要形成較複雜的形狀，易於實現與其他金屬或纖維材料的複合，以結合兩者各自的優點；缺點是燒結過程中容易變形、產生裂紋或氣泡，且工序較多。
水熱法
水熱合成法是指在一個密閉的壓力容器內，用水溶液作為反應遞質，通過對反應容器加熱，使得在通常情況下難溶或不溶的物質溶解並重結晶。用水熱法製備 Ca-P-Si-Na 生物活性玻璃陶瓷，是將石英砂、CaCO3、Na2CO3和 Na3PO4等原料，混合後置於聚氨酯球磨罐里(球磨過程加入0.6%的CeO2作為澄清劑)球磨 5 h 後壓製成圓形塊，然後將塊體置於高壓釜在200～250 ℃的溫度水熱處理 12～72 h。
熱處理
除了基礎玻璃陶瓷的製備方法外，其熱處理工藝對生物微晶玻璃的力學性能、生物活性等也有著較大的影響。在 A/W 微晶玻璃中，由於其中的磷灰石與矽灰石晶相的析晶溫度不同（磷灰石晶相的形成溫度一般在650～800 ℃，矽灰石晶相的形成溫度在950～1 100 ℃），從力學性能和生物活性等方面考慮，A/W 微晶玻璃中的晶粒小更有利，所以為了減少大顆粒的形成，熱處理時分為低溫和高溫兩步，在低溫階段的處理時間一般比較長(8～24 h)，以得到大量的晶核，而在高溫階段的保溫時間一般不宜過長(2～6 h)。通過在不同條件下對 3Na2O-12TiO2-57CaO-28P2O5玻璃陶瓷進行熱處理，可以獲得含有主晶相為β-Ca2P2O7，的微晶玻璃，且隨著成核溫度提高和成核時間的延長，β-Ca2P2O7晶相在微晶玻璃中含量增加。含較多β-Ca2P2O7晶相的微晶玻璃有較強的生物活性，主要是由於β-Ca2P2O7晶相有較強的促進生物活性的能力。改變微晶玻璃的熱處理條件能夠對微晶玻璃的生物活性產生一定的影響。
生物微晶玻璃的性能要求
為了滿足臨床對人工骨材料各種形狀的需要，要求生物微晶玻璃除了具有良好的生物相容性和一定的力學性能外，還必須具備一定的可切削性能。下面從幾項性能指標的基本概念和具體套用等角度分別進行綜述。
生物相容性和生物活性
生物微晶玻璃作為人體的修復材料，必須具備良好的生物相容性和生物活性。生物相容性是指材料與人體組織親和性好，對人體無毒、無刺激、無致癌、致畸等有害的副作用。生物活性是指在材料與組織的界面能發生特殊生理反應，並導致移植材料和組織形成結合層的性能。羥基磷灰石、α－磷酸三鈣、β－磷酸三鈣等鈣磷酸鹽有不同程度的生物活性，這些成分本身或與體液反應後的產物，通過體液的循環，在玻璃或微晶玻璃、軟組織和骨之間存在著密切的離子交換，導致羥基碳酸鹽磷灰石層的形成。伴隨著羥基碳酸鹽磷灰石的形成，膠原的沉積和細胞的分化等組織學行為亦同時發生，導致化學性結合。採用溶膠-凝膠法製備的 CaO-P2O5-SiO2系微晶玻璃，利用體外模擬的實驗方法發現，隨著浸泡時間增長，碳酸羥基磷灰石含量隨之增加，從而證實了其生物活性的存在。生物玻璃陶瓷具有多元組成，可在較大的範圍內調節其組成、結構和相成分，賦予材料新的功能的優點。生物活性是生物玻璃材料最顯著的特點，因此，生物活性玻璃材料在生物機體內可以與周圍的骨形成穩定結 合，並幫助受損傷或缺失的骨更快速地生長痊癒。為此，生物材料界的學者們進行了長期不懈的尋求和探索，以進一步最佳化生物玻璃材料的生物活性。
強度和韌性
生物微晶玻璃雖然具有優良的生物和化學性能，但其也有致命的不足之處：它的力學性能較差，脆性大，抗彎強度不足，斷裂方式為典型的脆性斷裂，從而限制了它在臨床上的套用。為了彌補其不足，往往採用一些補強增韌技術來使其具有足夠的強度和韌性。因此，作為可以真正投入臨床使用的生物微晶玻璃，必須具備足夠的強度和韌性。A/W 生物微晶玻璃的最大優勢是其良好的力學性能，雖然其楊氏模量和斷裂強度還不是很理想，但其抗壓強度和彎曲應力等性能均高於其他生物陶瓷材料甚至自然骨，其原因主要是纖維狀的矽灰石晶粒通過裂紋偏轉和裂紋搭橋等機制大大提高了生物玻璃的機械強度。有研究表明，採用添加 CaF 或 ZnO 可以改善了微晶玻璃的強度。
可切削加工性
為滿足臨床使用的需要，生物材料必須被加工成一定形狀，這就要求所使用的生物材料 具有良好的加工性能，為此，人們設計出一種含氟磷灰石和氟金雲母兩種微晶相的可切削加工生物玻璃陶瓷。向可加工玻璃陶瓷中引入矽灰石相及氧化鋯陶瓷粉，可提高其強度。在含有雲母相的微晶玻璃中，引入CaO、P2O5組分製得了主晶相為氟金雲母和磷灰石，能用普通工具機進行車、銑、鋸、鑽孔的可加工生物活性微晶玻璃。該材料的切削加工性能良好，可製成形狀複雜的植入體，是一種很有前途的骨替代材料。 在 K2O/Na2O-MgO-Al2O3-SiO2-F 系統微晶玻璃中，在保持 Ca/P 比一定的情況下，添加不同劑量的 CaO和 P2O5，可以得到具有生物活性成分的可切削的微晶玻璃陶瓷，材料的可切削性能提高，而抗彎強度和硬度有下降趨勢。另有研究表明，ZnO 加入K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5-F 微晶玻璃中，有利於晶體成長，增加晶體的長徑比，顯微硬度低，韌性較好，易於切削。而 ZnO-Fe2O3加入 K2O-MgO- CaO-SiO2-P2O5-F微晶玻璃中，形成少量鎂鋅鐵尖晶石鐵氧體，具有磁性。主晶相為透輝石，晶粒細小，硬度較大，切削性能下降。 同時加入磁性材料，有可能激發新骨形成，用其做骨替代材料可加速骨缺損的修復。
展望未來
隨著人類文明的進步和生活水準的提高，人體硬組織替換材料將越來越受到人們的重視，人類迫切需要新的材料對人體內發生病變、損傷和老化的組織器官進行替代、修補和矯正，人體硬組織替換材料將具有廣闊的發展前景。生物微晶玻璃作為生命科學與材料科學交叉滲透發展的成果之一，以其良好的生物相容性、生物親和性和無毒副作用，耐化學腐蝕等優點而日益受到更加廣泛使用。除了具有良好的生物相容性和生物活性外，由於它們的化學組成與生物體的自然骨骼相似，容易與周圍的骨骼形成緊密牢固的化學鍵合，或經生物降解形成新的骨骼成分。隨著製備技術的發展，在保證生物相容性的基礎上，進一步提高強度，並可以具有良好的可加工性，使其臨床套用性能得到了大幅度的提高，可以被廣泛地套用於骨科、牙科的替代及骨組織工程等領域，同時也展現了良好的發展前景。
