溶胶-凝胶生物活性玻璃的规模化制备及其多孔骨修复体研究

发布时间：2020-06-11 08:21

【摘要】：由于外伤、肿瘤手术等原因导致的骨缺损是常见的临床病症,人工合成的生物医学材料为骨缺损修复提供了新思路。生物活性玻璃作为一类具有良好生物活性的无机非金属材料,能与骨组织发生牢固的化学结合同时促进新骨生成。溶胶-凝胶生物活性玻璃更是凭借其巨大的比表面积和均匀的化学组成,引起生物医学材料及临床治疗领域的高度关注。但以往溶胶-凝胶生物活性玻璃多在实验室小样品制备,单次产量数十克,产率低,如何实现这类材料的规模化稳定生产是限制其产品转化的关键技术瓶颈。基于此,本论文对生物活性玻璃宏量制备的相关问题展开分析,通过装置模型的组装设计和反应工艺的稳定优化,实现了单次产量5kg的溶胶-凝胶生物活性玻璃的规模化制备,为进一步研发生物活性玻璃组织修复产品奠定了原料基础。此外,目前临床应用的生物活性玻璃骨修复产品多为粉末颗粒状,易于被血液冲出,不利于较大尺寸的骨缺损填充。因此,本论文以规模化制备所得的溶胶-凝胶生物活性玻璃粉体为原料,采用造孔剂及模压成型工艺制备出生物活性玻璃多孔骨修复体。主要研究工作和结论如下:(1)制备了溶胶-凝胶生物活性玻璃,并对其反应机理和理化性能进行一系列分析与表征。材料具有高达187.80m~2/g的比表面积和平均孔径为5.39nm的介孔结构,且证实了良好的生物活性,同时为后续规模化生产工艺提供理论依据。(2)实现溶胶-凝胶生物活性玻璃的规模化制备。通过自主设计实验模型和仪器设备,完成固液物料添加装置的联动使用,通过“均匀投入物料”,“稳定水解反应”,“分散陈化凝胶”对溶胶-凝胶反应体系进行工艺优化,从而稳定控制反应浓度和陈化温度梯度,解决了较大反应空间下的细致均匀度。对规模化制备的粉体进行一系列理化性能及生物相容性的研究。研究发现,各项理化性能稳定,重复性佳;成分均匀,具有介孔结构、高比表面积和优良的矿化能力;同时具有良好的生物相容性,适宜浓度范围内可明显促进细胞的增殖,可以作为生物活性玻璃相关产品的优质原料。(3)以规模化制备的溶胶-凝胶生物活性玻璃为原料,采用造孔剂结合模压成型和冷等静压制备了生物活性玻璃多孔骨修复体。初步探究了不同造孔剂下多孔骨修复体的热处理工艺和对应的形貌与孔隙率,对其进行体外降解、力学性能、生物相容性和体内成骨性能的研究。研究发现,以甘露醇为造孔剂制备的多孔骨修复体的孔隙率可控制在40%-60%之间,具有适宜且呈梯度分布的孔径大小、孔径约为50-150μm,且有5μm-20μm的微小孔隙存在。抗压强度约为5Mpa,同时具备适宜的降解速率。多孔骨修复体具有良好的生物相容性,利于成骨细胞的黏附与增殖。体内成骨评价表明,成骨性能良好,2个月内大量新生骨组织生成,且将植入体紧密包裹,具有临床应用的潜力。本论文工作成功完成了溶胶-凝胶生物活性玻璃的规模化制备,并且通过一系列测试表征,证明了规模化制备的溶胶-凝胶生物活性玻璃具有稳定的理化性能和优秀的生物相容性,在此基础上以其为原料,制备了生物活性玻璃多孔骨修复体。该工作为进一步研发生物活性玻璃相关产品提供了优质原料和理论依据。
【图文】：

微观形貌,生物活性玻璃,熔融法,溶胶-凝胶

验室小样品制备，产率低，如何实现大批量的稳定生产是限制此类材料产品转化的关键技术瓶颈，因此规模化生产也是亟待解决的问题。图1-2 溶胶-凝胶生物活性玻璃(a，b，c）与熔融法生物活性玻璃(d)的微观形貌[23]Fig.1-2 SEM and TEM images of sol-gel bioactive glass(a,b,c)and conventional bioactive glass (d)

形貌,法制,纳米颗粒,生物活性玻璃

溶胶-凝胶生物玻璃的规模化制备目前仍少有人研究，，有极大的探索空间。通过分析制备过程的工艺参数以及规模化生产中陈化梯度和反应浓度等影响因素，对规制备溶胶-凝胶生物活性玻璃反应体系的工艺进行规范化控制，从而实现产量规模质量均匀化。工艺方面，可以借鉴在碱催化制备[19, 25]中，依靠一系列反应条件的改醇水比、pH 值、前驱体的水解顺序，各反应物的加入时间等[26]。溶胶-凝胶生物活性玻璃是硅醇盐在酸性条件下形成的凝胶网格结构，前驱体的速度之间存在差异，TEOS 水解缩聚反应发生在粒子表面的 Si-OH 基团上，Si 凝胶成团块。随着酸的加入，pH 值的降低，利于胶状结构生成[27]。TEP 的水解速度较果在 TEP 水解之前形成了 SiO2纳米颗粒，P 很可能有限进入到 Si 网格里，也存在过程溶解的可能[28]。Boccardi 等[29]对其形成机制展开讨论，承载金属阳离子的前驱 SiO2纳米颗粒形成后被加入，SiO2纳米颗粒也可能继续形成，意在表明金属离子吸收在这些纳米颗粒的表面继而稳定附着，再经过煅烧后进入玻璃网格。Zheng[3改变金属离子前驱体的加入时间也会影响生物活性玻璃纳米颗粒的形貌组分。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08

【参考文献】