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一种P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃及其在骨修复中的应用

阅读：245发布：2023-03-10

专利汇可以提供一种P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃及其在骨修复中的应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种P2O5‑SiO2‑CaO 生物活性玻璃及其制备方法和用途，所述玻璃的组分及各组分的摩尔百分含量为：P2O5，5‑20mol％；SiO2，50‑80mol％；CaO，15‑40mol％；其中，所述生物活性玻璃中的硝酸根离子(NO3‑)的浓度为零，并且，氯离子(Cl‑)浓度为零。本发明的P2O5‑SiO2‑CaO生物活性玻璃用于骨修复时，能够促进羟基磷灰石的形成，具有稳定的生理pH值，良好的细胞相容性，能够促进其与骨组织间形成骨性键合。，下面是一种P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃及其在骨修复中的应用专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃，其特征在于，所述玻璃的组分及各组分的摩尔百分含量为：
P2O5，5-20mol％；
SiO2，50-80mol％；
CaO，15-40mol％；
其中，所述生物活性玻璃中的硝酸根离子(NO3-)的浓度为零，并且，氯离子(Cl-)浓度为零。
2.根据权利要求1所述的生物活性玻璃，其特征在于，各组分的摩尔百分含量优选为：
P2O5，6-15mol％，更优选8-15mol％；
SiO2，50-70mol％，更优选50-60mol％；
CaO，20-40mol％，更优选30-40mol％；
- -
其中，所述生物活性玻璃中的硝酸根离子(NO3 )的浓度为零，并且，氯离子(Cl )浓度为零。
3.根据权利要求1或2所述的生物活性玻璃，其特征在于，所述生物活性玻璃的组成为P2O5，10-12mol％；SiO2，53-55mol％；CaO，34-36mol％；其中，所述生物活性玻璃中的硝酸根离子(NO3-)的浓度为零，并且，氯离子(Cl-)浓度为零。
优选地，所述P2O5来源于含磷前驱体，所述含磷前驱体为植酸。所述CaO来源于含钙前驱体，所述含钙前驱体为硝酸钙(如四水硝酸钙)或氯化钙。所述SiO2来源于含硅前驱体，所述含硅前驱体优选为正硅酸乙酯。
4.权利要求1-3任一项所述的P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制备凝胶：配制前驱体溶胶溶液，放置得到凝胶；所述前驱体溶胶溶液中，含有含磷前驱体、含硅前驱体、含钙前驱体和溶剂，所述含磷前驱体为植酸，所述含钙前驱体为硝酸钙(如四水硝酸钙)或氯化钙；
(2)步骤(1)所得的凝胶进行陈化；
(3)步骤(2)陈化后的物质进行烧结，其中，烧结温度控制在70-120℃；
(4)煅烧：将步骤(3)烧结后的物质在500℃以上处理0.5-3小时。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述配制前驱体溶胶溶液的步骤为：选用植酸作为含磷前驱体，正硅酸乙酯作为含硅前驱体，硝酸钙(如四水硝酸钙)或氯化钙作为含钙前驱体，水、乙醇、或乙醇和水的混合物作为溶剂；将含磷前驱体、含硅前驱体、含钙前驱体和溶剂混合，放置直到凝胶化得到凝胶。优选地，控制放置时的温度为10-
35℃(优选30℃)，其凝胶时间为10-50天(优选25天)。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，陈化温度为25-60℃或室温，陈化的具体条件是：25-60℃陈化2-7天(优选陈化3-5天)，或者室温长时间陈化，或者在25-60℃真空条件下陈化2-7天。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，烧结的条件还可以是80-100℃，烧结时间至少1天，例如2-14天，优选3-10天，最优选1周。
优选地，步骤(3)中，烧结的具体条件是：70-120℃烧结1周，或者70-120℃真空条件下烧结1周。
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，烧结温度为500-
700℃，例如500-650℃，还可以为550-650℃；煅烧时间为0.5-5小时，优选0.5-3小时，或者为1-2小时。
优选地，煅烧的具体条件是：550℃以上处理0.5-3小时；优选550-650℃处理0.5-3小时，更优选600℃处理1-2小时。
9.权利要求1-3任一项所述的P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃的用途，其作为骨缺损部位的骨修复或骨填充材料。
10.根据权利要求9所述的用途，其应用于牙周外科和整形外科中的骨缺损部位的骨修复或骨填充材料。

说明书全文

一种P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃及其在骨修复中的应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种生物活性玻璃及其在骨修复中的应用，属于生物材料技术领域。

背景技术

[0002] 生物玻璃由于具有良好的骨诱导性和成骨性，目前已经成功用于骨组织的修复和治疗过程中，尤其是牙周和整形外科领域。但是这种生物玻璃采用的合成方法——熔融萃冷法，反应温度太高，降解速率缓慢，而且其在体液中pH值升高，不利于细胞的生存，因此有必要研究新型的生物材料及其制备方法。

[0003] 采用低温溶胶凝胶法可以使各种前驱体溶胶溶液在分子水平混合，有利于对材料的结构和性能进行控制。其中磷的引入通常可以提高玻璃的降解速度，但是传统方法制备出的磷硅酸基玻璃中具有生物活性的组分范围相对较窄，通常限于较低的磷含量，限制了生物活性玻璃降解速率的提高。在使用溶胶凝胶法制备磷硅酸基玻璃时，通常发现磷的常用前驱体(如磷酸，磷酸三乙酯等)和钙的常用前驱体(如硝酸钙)相容性较差，容易引起沉淀从而发生相分离。为了实现磷前驱体和钙前驱体的有效混合，人们有时候不得不选择毒性较大的溶剂(如乙二醇)，并且降低前驱体的浓度，这样在除溶剂的过程中会耗费大量的能源及时间，使得其实际操作性大大降低。在我们的前期研究中，我们选用新型低毒的磷前驱体植酸(肌醇六磷酸，分子式：C8H18O24P6)，可以有效地与硝酸钙共溶，所用溶剂为水、乙醇及其混合物，毒性较小，溶剂去除温度较低，可以有效克服传统方法的缺点，具有重要的应用前景(中国专利CN101921061B)。但该文献中报道的方法制备的生物活性玻璃用于骨修复时存在类骨羟基磷灰石形成速度慢、成型量少等缺陷，生物相容性及促进成骨细胞增殖的能力均无法达到实际应用的水平，实用性不强，有待开发新型的适用于骨修复的材料。

发明内容

[0004] 本发明为了克服现有技术的不足，提供一种具备特定组成的生物活性玻璃，其特别适用于骨修复的领域。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃，其含有的组分和各组分的摩尔百分含量为：

[0007] P2O5，5-20mol％；

[0008] SiO2，50-80mol％；

[0009] CaO，15-40mol％；

[0010] 其中，所述生物活性玻璃中的硝酸根离子(NO3-)的浓度为零，并且，氯离子(Cl-)浓度为零。

[0011] 根据本发明，各组分的摩尔百分含量优选为：

[0012] P2O5，6-15mol％，更优选8-15mol％；

[0013] SiO2，50-70mol％，更优选50-60mol％；

[0014] CaO，20-40mol％，更优选30-40mol％；

[0015] 其中，所述生物活性玻璃中的硝酸根离子(NO3-)的浓度为零，并且，氯离子(Cl-)浓度为零。

[0016] 根据本发明，所述生物活性玻璃的组成为P2O5，10-12mol％；SiO2，53-55mol％；CaO，34-36mol％；其中，所述生物活性玻璃中的硝酸根离子(NO3-)的浓度为零，并且，氯离子(Cl-)浓度为零。

[0017] 根据本发明，所述P2O5来源于含磷前驱体，所述含磷前驱体为植酸。所述CaO来源于含钙前驱体，所述含钙前驱体为硝酸钙(如四水硝酸钙)或氯化钙。所述SiO2来源于含硅前驱体，所述含硅前驱体优选为正硅酸乙酯。

[0018] 上述P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃的制备方法，所述方法包括以下步骤：

[0019] (1)制备凝胶：配制前驱体溶胶溶液，放置得到凝胶；所述前驱体溶胶溶液中，含有含磷前驱体、含硅前驱体、含钙前驱体和溶剂，所述含磷前驱体为植酸，所述含钙前驱体为硝酸钙(如四水硝酸钙)或氯化钙；

[0020] (2)步骤(1)所得的凝胶进行陈化；

[0021] (3)步骤(2)陈化后的物质进行烧结，其中，烧结温度控制在70-120℃；

[0022] (4)煅烧：将步骤(3)烧结后的物质在500℃以上处理0.5-3小时。

[0023] 根据本发明，步骤(1)中，所述配制前驱体溶胶溶液的步骤为：选用植酸作为含磷前驱体，正硅酸乙酯作为含硅前驱体，硝酸钙(如四水硝酸钙)或氯化钙作为含钙前驱体，水、乙醇、或乙醇和水的混合物作为溶剂；将含磷前驱体、含硅前驱体、含钙前驱体和溶剂混合，放置直到凝胶化得到凝胶。优选地，控制放置时的温度为10-35℃(优选30℃)，其凝胶时间为10-50天(优选25天)。

[0024] 根据本发明，步骤(2)中，陈化温度为25-60℃或室温，陈化的具体条件是：25-60℃陈化2-7天(优选陈化3-5天)，或者室温长时间陈化，或者在25-60℃真空条件下陈化2-7天。陈化的目的在于使凝胶反应更充分及去除水和溶剂。

[0025] 根据本发明，步骤(3)中，烧结的条件还可以是80-100℃，烧结时间至少1天，例如2-14天，优选3-10天，最优选1周。烧结的具体条件是：70-120℃烧结1周，或者70-120℃真空条件下烧结1周。烧结的目的在于进一步除去剩余的溶剂。

[0026] 根据本发明，步骤(4)中，煅烧温度为500-700℃，例如500-650℃，还可以为550-650℃；煅烧时间为0.5-5小时，优选0.5-3小时，或者为1-2小时。煅烧的具体条件是：550℃以上处理0.5-3小时；优选550-650℃处理0.5-3小时，更优选600℃处理1-2小时。

[0027] 本发明进一步提供上述P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃作为骨填充材料的应用，其用于骨缺损部位的骨修复或骨填充材料，尤其是牙周外科和整形外科中的骨缺损部位的骨修复或骨填充材料。

[0028] 本发明的有益效果如下：

[0029] 1.本发明提出了一种全新结构和组成的P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃，该材料特别适用于骨修复中，具体而言，由于所述材料中去除了现有技术中类似材料中含有的硝酸根离子和氯离子，真正实现了所述材料在骨修复中的应用。

[0030] 2.本发明的P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃用于骨修复时，能够促进羟基磷灰石的形成，具有稳定的生理pH值，良好的细胞相容性，能够促进其与骨组织间形成骨性键合。附图说明

[0031] 图1实施例1-2和对比例1中的生物活性玻璃中的硝酸根离子的表征；

[0032] 图2实施例1和对比例1中的生物活性玻璃与SBF溶液反应不同时间的SEM图；

[0033] 图3实施例1和对比例1中的生物活性玻璃与SBF溶液反应不同时间的XRD图；

[0034] 图4实施例1和对比例1中的生物活性玻璃的细胞毒性试验结果；

[0035] 图5实施例1和对比例1中的生物活性玻璃的细胞粘附性试验结果。

具体实施方式

[0036] 虽然申请人在先前的研究(中国专利CN101921061B)中已经提出了一种生物活性玻璃制备方法，但将该生物活性玻璃用于实际的骨修复中，发现其形成羟基磷灰石速度缓慢，而且具有较差的促进成骨细胞增殖能力；申请人经过大量研究发现，在先研究的制备方法中生成的生物活性玻璃中，含有残余的硝酸根离子和/或氯离子，而这些离子的存在严重影响了所述生物活性玻璃的实际使用，因此，本发明中提出了一种高效地去除所述离子的方法，通过所述方法制备的产品用于骨修复时取得了意想不到的效果。

[0037] 下面将结合实施例和附图对本发明进行详细的说明。但是，本领域的技术人员容易理解，以下所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0038] 实施例1(P2O5-SiO2-CaO生物活性玻璃)

[0039] 该实施例制备的生物活性玻璃的主要组成为：

[0040] P2O510.8mol％，SiO254.2mol％和CaO35mol％。

[0041] 制备方法中，选用无毒植酸作为含磷前驱体，以乙醇和水的混合物作为溶剂，正硅酸乙酯作为含硅前驱体，四水硝酸钙作为含钙前驱体；上述物质的用量配比为：植酸(50wt％)3ml，正硅酸乙酯10.95ml，四水硝酸钙7.47g，n水/正硅酸乙酯＝4，n乙醇/正硅酸乙酯＝8。

[0042] (1)制备凝胶

[0043] 将植酸、正硅酸乙酯、四水硝酸钙和溶剂按照上述配比混合配制成前驱体溶胶溶液，放置直到凝胶化，其中，控制放置时的温度为30℃，其凝胶时间为25天左右。对形成的凝胶做如下处理：

[0044] (2)陈化过程

[0045] 55℃陈化5天除去其中的乙醇和少量水。

[0046] (3)烧结(干燥)

[0047] 将陈化后的样品放入100℃烘箱内，烧结1周除去剩余的溶剂。

[0048] (4)煅烧(稳定)

[0049] 将烧结后的干燥样品放入600℃烘箱内，1小时除去其中的硝酸根离子，得到所述生物活性玻璃。经测试，所述生物活性玻璃中的硝酸根离子浓度为零(如图1所示)，氯离子浓度也为零。

[0050] 对比例1

[0051] 采用实施例1相同的方法，不同之处仅在于步骤(4)中将材料在400℃下处理1小时。经测试，所述生物活性玻璃中存在一定浓度的硝酸根离子(见图1)(记为对照品1)。

[0052] 按照CN101921061B 说明书实施例1公开的制备方法制备得到的样品1((CaO)0.35(SiO2)0.591(P2O5)0.059)(记为对照品2)。

[0053] 按照“Phytic acid derived bioactive CaO-P2O5-SiO2gel-glasses”,Ailing Li,Dong Qiu,J.Mater.Sci:Mater.Med.(2011),22:2685-2691,第2.1节公开的方法制备得到(CaO)0.35(SiO2)0.54(P2O5)0.11(记为对照品3)。

[0054] 实施例2

[0055] 采用实施例1相同的方法，不同之处仅在于步骤(4)中将材料在500℃下处理1小时。经测试，所述生物活性玻璃中的硝酸根离子浓度约为零(见图1)，氯离子浓度也为零。

[0056] 经过实施例1-2和对比例1的对比可见，材料中的有毒硝酸根离子随煅烧温度的增加呈减少的趋势，具体如图1所示，400℃条件下明显存在硝酸根离子，而500℃条件下硝酸根离子浓度已经约为零，而600℃条件下则完全消失。

[0057] 实施例3

[0058] 采用与实施例1相同的方法，不同之处仅在于用氯化钙替换了四水硝酸钙。经检测，获得与实施例1组成相同的生物活性玻璃，所述生物活性玻璃中的氯离子浓度为零，硝酸根离子浓度为零。

[0059] 对比例2

[0060] 采用与对比例1相同的方法，不同之处仅在于用氯化钙替换了四水硝酸钙。经检测，所述生物活性玻璃中存在一定浓度(～420ppm)的氯离子。(记为对照品4)

[0061] 实施例4(实施例1和对比例1的生物活性玻璃在骨修复中的应用实验)

[0062] (1)体外生物活性

[0063] 将实施例1和对比例1中的不同温度处理的生物活性玻璃沉浸在模拟体液(SBF)中进行沉积实验，通过扫描电镜对材料的表面形貌进行分析，结果见图2。

[0064] 如图2所示，在SBF溶液中沉积前，材料表面较为平整，而在SBF溶液中沉积1天时，材料表面均有半球形的类骨羟基磷灰石(HA)形成，其中600℃处理后形成的HA要远多于400℃处理的样品。

[0065] 将实施例1和对比例1中的不同温度处理的生物活性玻璃沉浸在模拟体液(SBF)中进行沉积实验，通过X射线衍射(XRD)对材料进行分析，结果见图3。

[0066] 通过X射线衍射(XRD)研究发现，未沉积前，材料均为无定形状态，在沉积1天时，材料表面明显出现羟基磷灰石(HA)衍射峰(如图3所示)，而且随着时间的延长HA的衍射峰增强，说明材料表面有更多的类骨羟基磷灰石形成，但在同一时间下，600℃处理的样品形成的矿化层要远多于400℃处理的样品。

[0067] (2)生物学评价

[0068] (a)细胞毒性试验

[0069] 将1％的实施例1和对比例1中的不同温度处理的生物活性玻璃粉末直接与成骨细胞(MC3T3)相互作用，测定结果列于图4中。

[0070] 结果表明，不同温度处理的生物活性玻璃均不具有细胞毒性，400℃处理的样品不具有明显的促进成骨细胞增殖的能力，而600℃处理的样品在不具有细胞毒性的前提下，还能明显促进成骨细胞的增殖，有利于其与骨组织间形成骨性键合，达到实际应用的水平。

[0071] (b)细胞粘附性试验

[0072] 将实施例1和对比例1中的不同温度处理的生物活性玻璃研磨成粉末后，压片(直径13mm，厚度2mm)。将生物活性玻璃片进行灭菌、消毒处理，放入24孔板内，加入成骨细胞(MC3T3)培养1d。然后用戊二醛固定，乙醇梯度脱洗，经自然干燥后，喷金，进行SEM观察，结果列于图5中。

[0073] 结果表明，培养1d时，400℃处理的样品和600℃处理的样品均能够使成骨细胞粘附，但是600℃处理的样品表面成骨细胞附着更好。

[0074] 实施例5(实施例3和对比例2的生物活性玻璃在骨修复中的应用实验)

[0075] 采用实施例4相同的方法，测定实施例3和对比例2的生物活性玻璃在骨修复中的应用，结果与实施例4的相同。

[0076] 实施例6(生物活性玻璃在骨修复中的应用实验)

[0077] 将实施例1与对比例1-2中所得的样品，如实施例1、对照品1、对照品2、对照品3、对照品4的体外生物活性进行比较，结果如表1所示。从表中可以看出，(CaO)0.35(SiO2)0.542(P2O5)0.108组分具有更佳的生物活性(较快的矿化层形成和较好的细胞相容性)，而在相同组分条件下，对照品1、对照品2、对照品3和对照品4中有残留的硝酸根离子和/或氯离子，生物活性偏低。本发明中实施例1所得的生物活性玻璃，其中不含硝酸根离子和/或氯离子，具有最佳的生物活性。

[0078] 表1 生物活性玻璃的体外生物活性对比结果

[0079]编号样品编号样品组成形成矿化层细胞相容性
实施例1 (CaO)0.35(SiO2)0.542(P2O5)0.108 快优
对比例1 对照品1 (CaO)0.35(SiO2)0.542(P2O5)0.108 较慢较差
对比例1 对照品2 (CaO)0.35(SiO2)0.591(P2O5)0.059 慢差
对比例1 对照品3 (CaO)0.35(SiO2)0.54(P2O5)0.11 较慢较差
对比例2 对照品4 (CaO)0.35(SiO2)0.542(P2O5)0.108 较慢较差

[0080] 由图1-5和表1的数据可见，本发明的生物活性玻璃相比于现有的生物活性玻璃具有良好的矿化能力，不具有细胞毒性，能够促进成骨细胞的粘附、增殖，其作为骨修复材料具有广泛的应用前景。

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