生物活性微晶玻璃

微晶玻璃是通過對玻璃進行一定組成與晶相設計並採用一定的熱處理工藝使玻璃基相中發生有控制的析晶，從而形成一種含有大量均勻分布微晶和殘餘玻璃相的複合材料，又稱為玻璃陶瓷。通過對微晶玻璃化學組成、晶相種類和比例的目標設計，可以使材料在保持一定生物活性的基礎上，其力學性能(如抗折強度及斷裂韌性等)及可加工性能得到顯著改善。生物活性微晶玻璃可用於製作一些承力的骨植入部件，如人造頜骨、脊椎及四肢骨置換部件等。

基本介紹

• 中文名：生物活性微晶玻璃
• 外文名：Bioactive glass ceramic
• 過程：使玻璃基相中發生有控制的析晶
• 結構：均勻分布微晶和殘餘玻璃相
• 又稱：玻璃陶瓷
• 套用：製作一些承力的骨植入部件

可切削生物活性微晶玻璃

針對生物活性玻璃和微晶玻璃的脆性高、斷裂韌性低、不易加工的缺點，這類微晶玻璃的特點是既具有一定的生物活性(低於生物活性玻璃)、可與骨組織形成骨性結合界面，又具有較好的加工性能，可根據臨床需要利用一般的機加工方法(如車削、打磨、鑽孔、攻絲等)製成各種不同形狀的部件，材料不會發生破裂。可切削生物活性微晶玻璃的主晶相是氟金雲母和氟磷灰石，前者是層狀矽酸鹽礦物，當受到因加工而導致的外力時，首先會引起氟金雲母的001晶面發生解理、滑移或剝脫，使外力從一個晶粒傳導到另一個晶粒，導致不同晶粒的001晶面連續發生解理、滑移和剝落，最終使該微晶玻璃在加工過程中只出現微小鱗片狀的脫落，而不會發牛材料的破裂，從而被加工成一定的形狀，並可達到較高的加工精度。可切削生物活性微晶玻璃已用於製作人工聽小骨、人工椎體、長骨骨管及下頜骨等。可切削生物活性微晶玻璃在晶化處理前隨著組成的不同可以具有不同的分相形式，而分相對於材料的析晶具有重要影響。可以通過調整玻璃的組成來改變母體玻璃的分相形式，通過一定的熱處理工藝達到控制析晶的目的。

A·W生物活性微晶玻璃

A．W生物活性微晶玻璃屬於五元系統微晶玻璃，其主晶相為氧氟磷灰石，氟磷灰石微晶有助於提高其生物活眭；而大量隨機取向、均勻分布的針狀矽灰石晶體則有利於提高材料的機械強度和可切削加工性能。A·W微晶玻璃在模擬生理溶液(SBF)中反應7天后表面可被羥基磷灰石層所覆蓋，其表面羥基磷灰石層(HA)的形成機理見圖1。

圖1

A·W微晶玻璃表面在SBF溶液中形成羥基磷灰石層(HA)是由於材料的玻璃相中Ca和HSiO₃離子溶出，它們對於HA的形成具有重要作用。前者使得溶液的離了濃度相對HA達到過飽和，促進HA析出；後者則為HA析出提供了有利的成核位。此外，由於材料中的玻璃相和口矽灰石微晶相的溶解，使材料中的氧氟磷灰石微晶相殘留於材料中，形成凹凸不平的粗糙表面，也有利於HA的晶核形成。

溶膠-凝膠生物活性玻璃

溶膠-凝膠生物活性玻璃具有較熔融法製備的45S5系列生物活性玻璃更高的生物活性。體外實驗表明，在37℃的模擬生理溶液中8h即可在材料表面形成一層具有一定結晶度的碳酸羥基磷灰石，而45S5生物活性玻璃則需要24h左右的時問。此外，相比較熔融法製備的生物活性玻璃而言，溶膠凝膠生物活性玻璃具有以下優點：

①通過溶-凝膠工藝製備生物活性玻璃的過程基本上是在室溫下進行，後續的熱處理溫度在600～700℃，這要比熔融法(1350～1400℃)製備生物活性玻璃低得多，在工藝上易於操作。

②化學成分的均勻性可達分子級別。通過將溶液充分混合，可以使溶液在大約0.5 nm的尺度內達到化學均勻，這同熔融法使用的微米級粉末原料的混合均勻度相比，提高10～10倍。

③高化學純度。溶膠-凝膠生物活性玻璃製備採用高純度化學試劑為原料，還可採用一些進一步純化原料的工藝，從而保證了所得材料的純度。

④可以對材料的組成和分子結構進行設計和剪裁而賦予材料特定的理化和生物學特性，滿足特定部位的組織修復需要。

⑤溶膠-凝膠生物活性玻璃具有納米級微孔、巨大的比表面積、較高的化學活性和吸附特性，這些性質對於製備組織修復材料具有重要意義。如通過複合、表面接枝、生物組裝與骨修復有關的蛋白和生長因子等，使材料具有更好的組織修復功能。

⑥利用溶膠-凝膠法適合於製備超細粉體、薄膜、塗層、纖維等多種形式的生物活性玻璃材料，利用熔融法則較難實現。

結構組成

溶膠-凝膠生物活性玻璃的化學組成不同於熔融法製備的45S5系列生物活性玻璃。相對於後者的四元系統而言，溶膠-凝膠生物活性玻璃組成中去掉了Na₂O組分，成為CaO-SiO₂-P₂O₅三元系統。此外，溶膠-凝膠生物活性玻璃組成中的SiO₂含量的上限比45S5生物活性玻璃體系要高，材料組成中SiO₂摩爾含量一旦超過60%，材料則會喪失生物活性。這是由於隨著SiO₂含量增高，玻璃矽氧網路的連線程度越高，結構越牢固，材料與生理溶液發生離子交換以及材料結構中的離子擴散越困難，在生理環境中難以在材料表面形成碳酸羥基磷灰石層。而溶膠-凝膠生物活性玻璃組成中的SiO₂摩爾含量在高達80%的情況下仍可使材料保持一定的生物活性，由於溶膠-凝膠生物活性玻璃的特殊製備工藝而導致玻璃網路結構不同於傳統熔融法製備的生物活性玻璃，如結構相對比較疏鬆、網路中斷點數遠遠高於熔融玻璃，結構中含有大量的OH離子。同時，由於材料結構中的納米微孔使其具有巨大的比表面積。這些結構特性對於提高材料的生物活性具有重要意義。