专利名称：一种含硼纳米介孔大孔生物活性玻璃、其制备方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含硼的纳米介孔大孔生物活性玻璃材料及其制备方法，属于生物医用材料领域。
背景技术：
介孔生物活性玻璃(MBG)，作为一种生物活性材料，近年来引起了极大的关注。 介孔生物活性玻璃较非介孔生物活性玻璃(NBG)—个显着的特点，是它具有显著提高的比表面积和纳米孔体积，从而得到了更优的磷灰石矿化能力和降解性。我们最近证明， CaO-P2O5-SiO2系统MBG较NBG能提高体外和体内的生物活性及降解、载药能力。作为一种生物活性材料，MBG在骨组织工程和药物载体应用中显出巨大潜力。出于这个原因，开发一种具有最佳的成分和纳米结构的MBG十分有意义。此外，适当的载药可提高MBG的成骨能力，在骨组织工程中应用具有较大潜力。硼是人体的微量元素之一，在许多生命过程，包括胚胎、骨骼的生长和维护，免疫功能和精神运动技能中起着重要的作用。特别是在绝经后的妇女，硼可能刺激荷尔蒙，从而通过刺激雌激素的分泌达到模拟雌激素的作用。目前，雌激素治疗是防止绝经后骨质丧失而导致的骨质疏松和骨密度降低引起的骨折的最有效的方法之一。因此，研究人员对载有硼的生物活性材料的研制在骨骼健康及再生领域成为研究的热点。目前为止，关于含硼的介孔玻璃支架用于骨组织工程的研究未见报道。在骨组织工程中，生长因子如骨形态发生蛋白(BMP-2和BMP-7)被载入支架，以刺激细胞分化和组织的生长。然而，骨形成蛋白是相当昂贵的，并必须在非常温和的条件下与支架结合以防止其生物活性的损失。为克服这个弊端，一种替代的方法是通过成骨细胞分化药剂用来刺激骨骼生长。地塞米松(DEX)是一种传统的成骨药物，用于细胞培养实验，诱导细胞增殖、成熟和成骨细胞的细胞外基质矿化。此前，地塞米松被加载聚(乳酸-乙醇酸， PLGA)微球，PLGA和聚己内酯(PCL)为骨组织工程支架应用。这些聚合物作为骨修复材料具有骨传导性不足的缺点，总是需要加入生物活性的无机材料制备成为复合材料。而传统生物活性陶瓷和玻璃(羟基磷灰石，磷酸三钙，生物玻璃)支架缺乏高效的载药能力。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种含硼的纳米介孔和大孔复合生物活性玻璃材料；
本发明的第二个目的在于提供上述生物活性玻璃材料的制备方法； 本发明的第三个目的在于提供上述生物活性玻璃材料的用途。为实现上述目的，本发明提供的生物活性玻璃材料具有300 μ m-500 μ m的大孔以及约5nm的介孔，其含硼量为09Γ10%(大于0)。其中大孔的孔隙率为78%_90%，介孔孔体积在0. 21-0. 33cm3/g,孔径约为5匪。上述玻璃材料的基体可以是现有的可以用于支架的任何玻璃材料。
本发明生物活性玻璃材料的大孔适合细胞生长，而纳米介孔则适合用于载药控制药物的释放，同时可释放硼离子，可以作为载体或医用支架。例如可以用作药物或者基因载体，用于装载地塞米松、生长因子，又不限于这些药物，可作为药物缓释载体长时间有效缓释，应用于骨缺损修复填充材料或者组织工程的三维支架。本发明生物活性玻璃材料是通过在制备介孔生物活性玻璃的过程中，用B033 一取代部分Si044 —，通过凝胶溶胶法的制备方法合成出含硼的有序介孔生物活性玻璃。该方法包括以下几个步骤
(1)将模板剂、硼源、钙源、磷源、硅源溶解于乙醇，18°C_45°C下搅拌12-48h，获得凝胶；硼的含量对于后来的介孔结构具有直接的影响；
(2)将高分子海绵浸入获得的凝胶10-60分钟，将海绵转入另一容器，干燥12-4 ；
(3)待干燥后，60(T80(TC煅烧3-8小时，得到含硼的纳米介孔和大孔复合生物玻璃材料。上述方法中，步骤2)可重复2-5次。上述方法中模板剂可以是为非极性的三嵌段共聚体模板剂，主要品名为 E020P070E020 (P123)，E0106P070E0106 (F127)和 E039B047E039 (B50 - 6600)，但不限于这几种，作为结构导向剂。EO是聚环氧乙烷，PO是聚环氧丙烷，BO是聚丁烯氧化。模板剂按照与硼源、钙源、硅源、磷源总量的重量比1:广3添加。上述方法中，所述硼源优选为硼酸三丁酯，所述硅源优选为正硅酸乙酯(TE0S)、所述钙源优选为Ca(NO3)2·4Η20或CaCl2，所述磷源优选为磷酸三乙酯。上述方法中，所述的硼源、钙源、磷源、硅源的摩尔比优选为(0-10) :(10-30) (1-10)(50-90)。上述方法中所述乙醇按照溶质重量的圹16倍添加。上述方法中的含硼纳米介孔大孔生物活性玻璃的制备方法，干燥的方法为通过加热干燥或蒸发自组装。上述方法中的制备的含硼纳米介孔大孔生物活性玻璃，硼的含量在0%_10%之间。高分子海绵如聚亚氨酯海绵具有不同的孔密度(20ppi-80ppi)用于获得大的孔 (大孔径几百微米)。非离子型嵌段聚合物合作模板是用于生产介孔结构(介孔若干纳米)。本发明制备的B-MBG除了具有大孔(30(^111-50(^111)和有序介孔(5纳米)之外， 还具有释放硼和装载和缓释药物的能力。本发明使用非离子型嵌段聚合物合作模板和高分子海绵，用B033—取代部分Si044 —，此种方法可通过调整浸入的次数(2-5次)及孔径的大小 (300 μ m-500 μ m)获得可控的孔隙率(78%_90%)。这些多孔特性棚架有利于组织长入和营养传输。在体外支架能够保持它们的结构完整性。在骨组织工程的应用中，由于这些支架的主要作用是提供初始细胞机械支持，他们必须强大到足以处理的细胞培养。在这方面，B-MBG的棚架能够满足作为骨组织工程中细胞载体的要求。同时，由于生物材料的介孔结构对装载和运输药物十分重要，通常表面积为 200-350 m2/g、介孔为约5nm可提供吸收生物活性分子如药物、抗生素及生长因子。当硼含量从0至10%不等时，B-MBG支架具有194465 m2/g的高的表面积，适合作为药物和生长因子的载体。
图1扫描电镜拍摄的本发明实施例1、2制备的样本的显微形貌图，并与同条件制备的不含硼的样本对比。其中图a、b、c分别是0B-MBG、5B-MBG以及10B-MBG。图2小角度X衍射观察实施例1、2制备的含硼介孔玻璃，并与同条件制备的不含硼的样本对比。OB-MBG代表同条件制备的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表实施例 1 ； 10B-MBG代表实施例2。图3宽角度X衍射观察实施例1、2制备的含硼介孔玻璃，并与同条件制备的不含硼的样本对比。OB-MBG代表同条件制备的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表实施例 1 ； 10B-MBG代表实施例2。图4扫描电镜拍摄的本发明实施例2、3、4制备的样本的显微形貌图。a孔隙率为 90%，b孔隙率为86% c孔隙率为78%。图5透射电镜观察实施例2，并与同条件制备的不含硼的样本对比。a同条件制备的不含硼的介孔生物玻璃材料；b实施例2。图6实施例1、2放入人体模拟体液(SBF)中，0-3天B，Ca，Si，P离子的释放，并与同条件制备的不含硼的样本对比。OB-MBG代表同条件制备的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表实施例1 ； 10B-MBG代表实施例2。图7实施例1、2放入人体模拟体液(SBF)中之前和之后扫描电镜与能谱分析的比较，并与同条件制备的不含硼的样本对比。OB-MBG代表同条件制备的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表实施例1 ； 10B-MBG代表实施例2。图8硼含量对药物的装载和释放的影响。OB-MBG代表同条件制备的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表实施例1 ； 10B-MBG代表实施例2。a不同硼含量的地塞米松装载能力。纵坐标代表DEX的装载效率，横坐标代表3种不同硼含量的支架。b不同硼含量的地塞米松的释放。纵坐标代表DEX的累积释放百分比，横坐标代表释放时间。图9大孔孔隙度对药物的装载和释放的影响。90代表大孔孔隙率为90%，86代表大孔孔隙率为86%，78代表大孔孔隙率为78%。a不同大孔孔隙率的地塞米松装载能力。纵坐标代表DEX的装载效率，横坐标代表3种不同大孔孔隙率的支架。b不同大孔孔隙率的地塞米松的释放。纵坐标代表DEX的累积释放百分比，横坐标代表释放时间。图10成骨细胞接种于实施例1、2，扫描电镜拍摄的1天和7天后细胞在支架上的生长情况，并与同条件制备的不含硼的样本对比。a b成骨细胞培养于同条件制备的不含硼的玻璃1和7天的扫描电镜图片；c d成骨细胞培养于实施例1，1和7天的扫描电镜图片；c d成骨细胞培养于实施例2，1和7天的扫描电镜图片
图11成骨细胞生长在实施例1、实施例2和实施例5上，1、7、14天上增殖情况，并与同条件制备的不含硼的样本对比。OB-MBG代表同条件制备的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表实施例1 ； 10B-MBG代表实施例2，DEX-10B-MBG为装载地塞米松(DEX)的实施例2生物玻璃材料。图12成骨细胞生长在实施例1、实施例2和实施例5上，7天和14天碱性磷酸酶活性情况，并与同条件制备的不含硼的样本对比。OB-MBG代表同条件制备的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG代表实施例1 ； 10B-MBG代表实施例2，DEX-10B-MBG为装载地塞米松(DEX)的实施例2生物玻璃材料。图13成骨细胞接种于实施例1、2、5上，1天和7天RT-qPCR检测I型胶原(a)， 转录因子Runx2 (b),碱性磷酸酶ALP (c)和骨涎蛋白BSP (d)的表达情况，并与同条件制备的不含硼的样本对比。OB-MBG代表同条件制备的不含硼的介孔生物玻璃材料；5B-MBG 代表实施例1 ； 10B-MBG代表实施例2，DEX-10B-MBG为装载地塞米松(DEX)的实施例2生物玻璃材料。
具体实施例方式以下实施例用于进一步说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。实施例1 5B-MBG
硼源、钙源、磷源、硅源的摩尔比以硼酸三丁酯Ca(NO3)2·4Η20 磷酸三乙酯正硅酸乙酯，其摩尔比为5 15 5 :75，模板剂添加量为前述重量的1/2加入，溶解于8倍重量的乙醇中，室温搅拌1天，聚氨酯海绵(25 PPI)洗净后完全沉浸于此溶液10分钟，然后转移到培养皿中，去除多余的溶液，其余的在室温下蒸发M小时，此过程重复2次，用以获得大孔支架的孔隙率。待样品完全干燥后700°C煅烧5个小时。实施例2 10B-MBG 2 次
硼源、钙源、磷源、硅源的摩尔比以硼酸三丁酯Ca(NO3)2·4Η20 磷酸三乙酯正硅酸乙酯，其摩尔比为5 15 2. 5 :70，模板剂添加量为硼源、钙源、磷源、硅源重量的1/2，溶解于 10倍重量份的乙醇中，室温搅拌1天，聚氨酯海绵(25 PPI)洗净后完全沉浸于此溶液10分钟，然后转移到培养皿中，去除多余的溶液，其余的在室温下蒸发M小时，此过程重复2次， 用以获得大孔支架的孔隙率。待样品完全干燥后700°C煅烧5个小时。实施例3 10B-MBG 3 次含10%硼的MBG
硼源、钙源、磷源、硅源的摩尔比以硼酸三丁酯Ca(NO3)2·4Η20 磷酸三乙酯正硅酸乙酯，其摩尔比为5 15 2. 5 :70，溶解于乙醇中，室温搅拌1天，聚氨酯海绵(25 PPI)洗净后完全沉浸于此溶液10分钟，然后转移到培养皿中，去除多余的溶液，其余的在室温下蒸发 24小时，此过程重复3次，用以获得大孔支架的孔隙率。待样品完全干燥后600°C煅烧8个小时。实施例4 10B-MBG 5 次
硼源、钙源、磷源、硅源的摩尔比以三氧化二硼氧化钙五氧化二磷二氧化硅，其摩尔比为5 :15 :2.5 :70，与0.5 M盐酸溶解于乙醇中，室温搅拌1天，聚氨酯海绵(25 PPI) 洗净后完全沉浸于此溶液10分钟，然后转移到培养皿中，去除多余的溶液，其余的在室温下蒸发M小时，此过程重复5次，用以获得大孔支架的孔隙率。待样品完全干燥后800°C煅烧3个小时。实施例5不同硼含量的介孔特性比较
对不同鹏含量的生物玻璃材料介孔进行比较，结果如表1所示 表权利要求
1.一种制备含硼的纳米介孔和大孔复合生物玻璃材料的方法，包括a将模板剂、硼源、钙源、磷源、硅源溶解于乙醇，18°C _45°C下搅拌12-48小时，获得凝胶，其中硼源、钙源、磷源、硅源的摩尔比以硼、钙、磷及硅元素计为(0-10) :(10-30) (1-10):(50-90)；b将高分子海绵浸入获得的凝胶10-60分钟，将海绵转入另一容器，干燥12-4 ； c待干燥后，60(T80(TC煅烧3-8小时，得到含硼的纳米介孔和大孔复合生物玻璃材料。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括重复步骤b)2-5次。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述的模板剂为非极性的三嵌段共聚体模板剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述模板剂为E020P070E020，E0106P070E0106或 E039B047E039，其中EO表示聚环氧乙烷，PO表示聚环氧丙烷，BO表示聚丁烯氧化。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述硼源为硼酸三丁酯，所述硅源为正硅酸乙酯、所述钙源为Ca(N03)2*4H20或CaCl2，所述磷源为磷酸三乙酯。
6.一种根据权利要求广5任一项所述的方法制备的纳米介孔和大孔复合生物玻璃材料。
7.根据权利要求6所述的生物玻璃材料，其特征在于，硼的摩尔含量在0%-10%之间。
8.根据权利要求7所述的生物玻璃材料，其特征在于，所述大孔孔径在300-500μπι之间，所述介孔为5nm。
9.权利要求6、任一项所述的纳米介孔和大孔复合生物玻璃材料在药物或基因载体中的应用。
10.权利要求6、任一项所述的纳米介孔和大孔复合生物玻璃材料在骨缺损修复填充材料或者组织工程的三维支架中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种含硼的具有纳米介孔和大孔生物玻璃材料以及其制备方法和在医疗支架中应用。本发明用BO33－取代部分SiO44－，通过凝胶溶胶法的制备方法合成出含硼的有序介孔生物活性玻璃。该方法可通过调整浸入的次数(2-5次)及孔径的大小(300μm-500μm)获得可控的孔隙率(78%-90%)。该复合玻璃材料具有适合细胞生长的孔，多孔特性有利于组织长入和营养传输，在体外支架能够保持它们的结构完整性。当硼含量从0至10%不等时，该含硼的有序介孔生物活性玻璃支架具有265-194m2/g的高的表面积，适合作为药物和生长因子的载体。该生物材料可缓慢释放硼离子，可作为组织修复材料应用于骨及牙周组织工程，还可用作药物或基因载体。
文档编号C03B19/00GK102557398SQ20111045852
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者吴成铁, 张玉峰, 罗涛 申请人:武汉大学