一种生物活性微晶玻璃及其制备方法和应用与流程

本发明属于微晶玻璃材料技术领域，具体涉及一种生物活性微晶玻璃，进一步地，还涉及该生物活性微晶玻璃的制备方法，特别地，本发明还涉及该生物活性微晶玻璃的应用。

背景技术：

人体的骨骼、牙齿等硬组织，因疾病、外伤或畸形造成缺损时，需要采用人工材料进行修复或矫治。由于金属具有优异的力学性能和易加工性，多采用不锈钢、钛合金等金属固定材料制作固定器械。但是金属离子存在长期缓慢释放致癌的风险，而且携带金属植入物期间，患者不能进行正常的核磁共振成像检查。金属植入材料的力学性能与天然骨存在差异，弹性模量较高，造成应力遮挡效应、导致骨愈合延迟，错配效应等不良影响。聚合物材料的出现，在避免应力遮挡效应、避免mri干扰和促进骨愈合方面获得了良好的效果。但由于高分子材料本身力学性能的限制，只能用于非承重部位，无法完全替代传统金属材料。

目前，生物活性玻璃已被认为是适合永久植入的材料，其成骨速度快，可直接参与骨组织的代谢和再生过程。但生物玻璃或微晶玻璃的弹性模量高，与骨组织的弹性模量不匹配，容易引起应力屏蔽，机械强度低，脆性大，容易造成种植体失败，限制了其使用范围，并且，目前的生物活性玻璃在植入后的修复能力还有待进一步提升。

技术实现要素：

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：目前骨科植入主要采用的材料为金属类、高分子材料和无机材料。金属类骨科植入物具有力学强度高，生物相容性好等优点，但是，存在相对骨头密度太大、强度太高等问题，致使应力屏蔽效应明显，从而使得骨折部位不能得到有效的应力刺激，骨折愈合效果不佳。高分子材料由于力学性能的限制，只能用于非承重部位，无法达到骨科植入物的强度要求，并且由于强度的限制容易导致二次骨折的发生。目前采用的无机材料主要为生物活性玻璃，存在与骨组织的弹性模量不匹配，容易引起应力屏蔽的问题，并且机械强度低，脆性大，修复能力不够。现阶段的生物活性陶瓷材料基本属于骨填充修复材料，往往不能满足长骨及关节置换方面的临床需求。因此，需要开发一种生物相容性好，机械性能优异的生物活性材料，特别是在体液作用下，能够具有自我表面修复能力，在体内能长期保持形态稳定、力学性能优异的微晶玻璃，可望用作长骨及关节类修复植入材料或者牙科修复材料。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种生物活性微晶玻璃，通过合理的设计配比及晶化工艺，生成二硅酸锂和/或硅酸锂的主晶相，其中二硅酸锂晶体属于正立方体结构，si-o四面体的顶点由li⁺占据，微观形貌为棒状各向异性分布的互锁结构，可以有效提高抗弯强度，并阻碍裂纹的扩展。在微晶玻璃中通过添加元素锶，经过两次晶化工艺获得磷酸锶次晶相，次晶相中的磷酸锶能够促进钙磷酸盐在材料表面的沉积，刺激成骨细胞的分化，进一步增强其生物活性，提高成骨能力，并且能够使受损的微晶玻璃在体液环境下具有表面修复功能。同时增加磷酸锶次晶相还可以提高材料的抗弯强度，降低微晶玻璃的熔化温度。本发明实施例的微晶玻璃成骨活性好，并且具有表面自我修复功能，同时保持了良好的机械性能，能够用于骨科植入和牙科修复。

根据本发明实施例的一种生物活性微晶玻璃，包括主晶相和次晶相，所述主晶相为二硅酸锂和/或硅酸锂，所述次晶相包括磷酸锶，所述微晶玻璃包括如下组分：

以质量百分含量计。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃的优点和技术效果，1、本发明实施例的微晶玻璃中含有锶元素，并在次晶相中含有磷酸锶，次晶相中的磷酸锶具有促进成骨和抑制破骨的双重效应，能够使微晶玻璃具有自我表面修复功能，并显著提升了成骨活性；2、本发明实施例的微晶玻璃中采用高比例的锂元素含量，同微晶玻璃中的次晶相磷酸锶共同作用，提升了微晶玻璃的自我表面修复能力；3、本发明实施例的微晶玻璃，在具有优异的生物活性的同时，还保持了良好的机械性能，能够用于骨科植入或牙科修复，可以用作长骨或关节修复材料；4、本发明实施例的微晶玻璃，加入锶元素，能够降低熔化温度，降低在熔化过程中对于坩埚的要求及能源损耗，降低生产成本。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃，其中，所述微晶玻璃中主晶相质量含量不少于50％，所述次晶相质量含量为3-12％，其中，所述次晶相中磷酸锶含量不低于所述微晶玻璃质量的0.5％。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃，其中，所述次晶相中磷酸锶含量不低于所述微晶玻璃质量的2％。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃，其中，所述微晶玻璃中，li2o含量为22％～26％，和/或，sro含量为1.3～5％。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃，其中，所述微晶玻璃还包括0.1％～2.7％的着色剂，所述着色剂选自fe2o3、ceo2或nd2o3中的至少一种。

本发明实施例还提供了一种生物活性微晶玻璃的制备方法，其包括如下步骤：

a、将原料按设计配比在水中球磨混合，进行干燥处理；

b、将所述步骤a中干燥后的原料采用两段升温程序熔融，浇注形成玻璃，退火；

c、将所述步骤b中退火后的玻璃进行晶化处理。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃的制备方法的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法中，将原料在水中进行高能球磨，通过在介质水中球磨混合，可以使玻璃原料的融化温度降低20-30℃，使后续熔融处理可以在更温和的条件下完成；2、本发明实施例的方法中，采用两段升温程序进行熔融处理，第一段升温处理主要去除原料中残留的水分，能够降低玻璃中气泡的产生，避免由于气泡导致力学性能的降低，第二段升温处理能够使原料完全呈均质熔融状态，经过两段升温处理后，使微晶玻璃的机械性能得到提升；3、本发明实施例的方法在原料中加入锶源，经过晶化处理后形成磷酸锶次晶相，并同高比例的锂源共同作用，使微晶玻璃具有自我表面修复能力，同时提升了微晶玻璃的成骨活性，并且保持了良好的机械性能，能够用于骨科植入材料或者牙科修复材料；4、本发明实施例的方法，在原料中加入锶源，能够降低熔化温度，降低了熔化过程中对于坩埚的要求及能源损耗，降低了生产成本。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃的制备方法，其中，所述步骤a中，所述球磨时间为20min-50min，所述干燥温度为60℃-120℃；和/或，所述步骤b中，所述退火温度为500℃-650℃，保温10min-20min。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃的制备方法，其中，所述步骤b中，所述两段升温程序为第一段升温至900℃-950℃，保温30min-60min，第二段升温至1410℃-1470℃，保温30-60min。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃的制备方法，其中，所述步骤c中，所述晶化处理包括两次晶化处理，第一次晶化处理温度为650℃-720℃，保温30min-60min，第二次晶化处理温度为820℃-890℃，保温30min-60min。

本发明实施例还提供了一种生物活性微晶玻璃在骨科植入或牙科修复中的应用。本发明实施例的生物活性微晶玻璃具有优异的自我表面修复能力，成骨活性好，机械性能优良，适用于骨科植入或牙科修复。

附图说明

图1是实施例1制得的微晶玻璃在模拟体液中浸泡的sem形貌图，其中a为浸泡0周的sem图，b为浸泡4周的sem图，c为浸泡8周的sem图，d为浸泡12周的sem图；

图2是实施例4制得的微晶玻璃在模拟体液中浸泡的sem形貌图，其中a为浸泡0周的sem图，b为浸泡4周的sem图，c为浸泡8周的sem图，d为浸泡12周的sem图；

图3是对比例1制得的微晶玻璃在模拟体液中浸泡的sem形貌图，其中a为浸泡0周的sem图，b为浸泡4周的sem图，c为浸泡8周的sem图，d为浸泡12周的sem图；

图4是对比例2制得的微晶玻璃在模拟体液中浸泡的sem形貌图，其中a为浸泡0周的sem图，b为浸泡4周的sem图，c为浸泡8周的sem图，d为浸泡12周的sem图；

图5是本发明实施例和对比例的体外细胞粘附实验对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明实施例的一种生物活性微晶玻璃，包括主晶相和次晶相，所述主晶相为二硅酸锂和/或硅酸锂，所述次晶相包括磷酸锶，所述微晶玻璃包括如下组分：

以质量百分含量计。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃，在微晶玻璃中加入锶元素，并在次晶相中含有磷酸锶，次晶相中的磷酸锶具有促进成骨和抑制破骨的双重效应，能够使微晶玻璃具有自我表面修复功能，并显著提升了成骨活性；本发明实施例的微晶玻璃中采用高比例的锂元素含量，同微晶玻璃中的次晶相磷酸锶共同作用，提升了微晶玻璃的自我表面修复能力；本发明实施例的微晶玻璃，在具有优异的生物活性的同时，还保持了良好的机械性能，能够用于骨科植入或牙科修复，可以用作长骨或关节修复材料；本发明实施例的微晶玻璃，加入锶元素，能够降低熔化温度，降低在熔化过程中对于坩埚的要求及能源损耗，降低生产成本。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃，其中，所述微晶玻璃中主晶相质量含量不少于50％，所述次晶相质量含量为3-12％，其中，所述次晶相中磷酸锶含量不低于所述微晶玻璃质量的0.5％，优选地，不低于2％。本发明实施例的微晶玻璃中，次晶相含有磷酸锶，同现有技术中采用磷酸锂作为次晶相的微晶玻璃相比，本发明实施例的微晶玻璃具有自我表面修复功能，并进一步提升了成骨活性。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃，进一步优选地，所述微晶玻璃中，li2o含量为22％～26％，sro含量为1.3～5％。本发明实施例优选了微晶玻璃的组分，能够使受损的微晶玻璃表面沉积更多的钙磷盐，进一步提升了微晶玻璃的自我表面修复功能，同时使微晶玻璃具有优异的生物相容性，单位体积材料表面的细胞粘附量可以达到3.3×10⁵以上，进一步提升了微晶玻璃的成骨活性。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃，其中，所述微晶玻璃的原料组分还包括0.1％～2.7％的着色剂，所述着色剂选自fe2o3、ceo2或nd2o3中的至少一种。本发明实施例的微晶玻璃中，还可以加入着色剂，在将微晶玻璃应用于牙科修复时，可以加入着色剂调整微晶玻璃的颜色，以与患者的牙齿颜色匹配。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃，其中，所述主晶相和/或次晶相中晶体尺寸为0.2μm-1μm。本发明实施例中优选了晶体尺寸为0.2μm-1μm，能够提高材料的机械性能，保持植入后材料的稳定性。

本发明实施例还提供了一种生物活性微晶玻璃的制备方法，其包括如下步骤：

a、将原料按设计配比在水中球磨混合，球磨时间优选为20min-50min，进行干燥处理，优选干燥温度为60℃-120℃；

b、将所述步骤a中干燥后的原料采用两段升温程序熔融，浇注形成玻璃，退火；

c、将所述步骤b退火后的玻璃进行晶化处理。

根据本发明实施例的生物活性微晶玻璃的制备方法，将原料在水中进行高能球磨，通过在介质水中球磨混合，可以使玻璃原料的融化温度降低20-30℃，使后续熔融处理可以在更温和的条件下完成；本发明实施例的方法中，采用两段升温程序进行熔融处理，第一段升温处理主要去除原料中残留的水分，能够降低玻璃中气泡的产生，避免由于气泡导致力学性能的降低，第二段升温处理能够使原料完全呈均质熔融状态，经过两段升温处理后，使微晶玻璃的机械性能得到提升；本发明实施例的方法在原料中加入锶源，经过晶化处理后形成磷酸锶次晶相，并同高比例的锂源共同作用，使微晶玻璃具有自我表面修复能力，同时提升了微晶玻璃的成骨活性，并且保持了良好的机械性能，能够用于骨科植入和牙科修复；本发明实施例的方法，在原料中加入锶源，能够降低熔化温度，降低了熔化过程中对于坩埚的要求及能源损耗，降低了生产成本。

根据本发明实施例的用于骨科植入的微晶玻璃的制备方法，其中，所述步骤b中，两段升温程序为第一段升温至900℃-950℃，保温30min-60min，去除原料中残留的水分，可以降低玻璃中气泡的产生，避免气泡导致力学性能降低，第二段升温至1410℃-1470℃，保温30-60min，使原料完全呈均质熔融状态；在低于熔化温度的10℃-20℃浇注至模具中形成透明玻璃，将玻璃在500℃-650℃进行退火处理，保温10min-20min，之后随炉降至室温。本发明实施例中，进一步优选了两段升温程序的温度和处理时间，不仅能够提高微晶玻璃的机械性能，同时有利于提高晶化后主晶相和次晶相的含量，能够使次晶相中磷酸锶含量提高10％，提升了单位体积材料细胞的粘附量，增强了生物相容性，提高了成骨活性，增强了修复效果。

根据本发明实施例的用于骨科植入的微晶玻璃的制备方法，其中，所述步骤c中，所述晶化处理包括两次晶化处理，第一次晶化处理温度为650℃-720℃，保温30min-60min，第二次晶化处理温度为820℃-890℃，保温30min-60min。本发明实施例的方法中，采用两次净化处理，第一次晶化处理生成硅酸锂晶体，根据微晶玻璃组分的不同，随着温度的进一步升高，硅酸锂晶体逐渐消融并发生相转变，缓慢形成二硅酸锂晶体，第二次晶化处理中，根据微晶玻璃组分的不同生成二硅酸锂、磷酸锶及磷酸锂晶体。

本发明实施例还提供了一种生物活性微晶玻璃在骨科植入或牙科修复中的应用。本发明实施例的生物活性微晶玻璃具有优异的自我表面修复能力，成骨活性好，机械性能优良，适用于骨科植入或牙科修复。

下面结合附图和实施例详细描述本发明。

实施例1

按表1中的设计配比将相应原料在水中进行高能球磨混合30min，原料具体为：sio2、al(oh)3、srco3、lico3、caco3、k2co3、(nh4)2hpo4、h3bo3、zro2和着色剂，混合后的原料在100℃干燥处理。将干燥后的原料放入二氧化硅坩埚，高温炉采用两段式升温程序，第一段在900℃保温50min，去除原料中残留水分，降低玻璃中气泡的产生。再升温至1420℃，保温40min，使原料完全呈均质熔融状态，高温澄清后浇注至模具中形成透明玻璃。将玻璃在退火炉中进行退火处理，退火温度为550℃，保温15min，随炉降至室温。

晶化处理：将退火后的玻璃进行两次晶化处理，第一次在680℃保温40min，第二次在870℃保温40min。

本实施例制得的微晶玻璃的组分和性能见表1。

实施例2-5

与实施例1的方法相同，不同之处在于微晶玻璃的设计配比不同，制得的微晶玻璃的组分和性能见表1。

对比例1

与实施例1的方法相同，不同之处在于原料中不含锶源，制得的微晶玻璃次晶相为磷酸锂。对比例1制得的微晶玻璃的组分和性能见表1。

对比例2

与实施例1的方法相同，不同之处在于原料中锂源含量不同，对比例2制得的微晶玻璃的组分和性能见表1。

对比例3

与实施例1的方法相同，不同之处在于升温程序采用一段式升温，将干燥后的原料放入二氧化硅坩埚中，升温至1420℃，保温90min。对比例3制得的微晶玻璃的成分和性能见表1。

表1

一、细胞毒性实验

实验目的为观察小鼠前成骨细胞系mc3t3-e1在实施例1-5制得的微晶玻璃浸提液中的生长情况，用mtt比色法检测其增殖，判定该材料在体外的环境下析出物质是否对细胞生长和增殖有影响，反映该材料的细胞毒性、生物相容性和生物活性。根据gb/t16886.12对植入体内的生物陶瓷材料的评价标准进行实验。

1、细胞形态学观察

倒置相差显微镜下可见，实施例1-5与空白组(不加入微晶玻璃)的mc3t3-e1细胞均呈梭形或不规则多边形伸展开来，细胞核清晰，细胞无圆缩形态，贴壁好，实施例1-5与空白组也未见明显差异。随培养时间延长，细胞逐渐增加，显示出良好生长趋势。

2、mtt比色试验

mtt实验结果显示，空白组和实施例1-5(实施例)的od值都随培养时间增加而升高，表明两组细胞数量均随时间而增多。mc3t3-e1细胞相对增殖率rgr除了第一天小于100％，其余都大于100％，rgr也显示出随时间的增加而有所升高的趋势，实施例1-5中材料细胞毒性均为0级。

二、表面自我修复能力实验

将实施例1-5和对比例1-3制得的微晶玻璃在体液环境下进行表面自我修复能力实验。每组微晶玻璃制作样本18件，样本尺寸6×10×3mm，表面采用精密机械抛光后，用金刚石划针制作0.1mm的均匀划痕，随机分为6组，每组3件。配制hanks人工体液，选用安全的塑料瓶30只，每瓶加入20ml模拟体液,将样本浸入。浸泡天数分别为4、8、12周，超声清洗5min后将样品烘干至恒重，进行表面sem形貌观察，结果见表2。

表2

参考图1、2、3和4，实验表明，微晶玻璃受损后在体液环境下，实施例1的微晶玻璃次晶相中含有磷酸锶，并且微晶玻璃中锂元素含量较高，能够共同促进材料表面钙磷盐的矿化沉积，使微晶玻璃材料具有修复能力，并且具有较好的稳定性；实施例4的微晶玻璃尽管次晶相中磷酸锶含量仅为0.5％，但受损的微晶玻璃表面也出现了钙磷盐沉积，并且随着微晶玻璃在体液中的浸泡时间增加，钙磷盐沉积量逐渐增多，使微晶玻璃具有一定的表面修复能力；对比例1的微晶玻璃次晶相为磷酸锂，不含有磷酸锶，微晶玻璃受损后，微晶玻璃表面没有钙磷盐沉积，不具备表面自我修复能力；对比例2的微晶玻璃虽然次晶相中含有磷酸锶，但由于微晶玻璃中锂含量较低，在微晶玻璃受损后，表面虽然有部分钙磷盐沉积，但微晶玻璃出现了比较明显的溶解。

三、生物相容性-体外细胞粘附实验

将实施例1-5和对比例1-3的微晶玻璃材料制备为5mm×5mm×1.5mm大小各8块,超声净化，高压灭菌。

将微晶玻璃制备成大小为0.5×0.5×0.15cm³,每组采用5块微晶玻璃材料分别置于96孔板中,每孔接种5000个细胞，同时在37℃、5％co2培养箱培养24h,随后加mtt20μl(5mg/ml),4h后移去微晶玻璃材料和培养液,加入150μl二甲基亚砜dmso,采用酶联免疫检测仪570nm测光密度值。

将细胞悬液分别配置为浓度为0.5×10⁵/200μl,1×10⁵/200μl，2×10⁵/200μl，3×10⁵/200μl,4×10⁵/200μl，将配置好的各细胞悬液分别加入96孔板，每个浓度均设置5个平行孔，放入37℃、5％co2恒温培养箱中培养，待细胞稳定后，加入mtt20μl(5mg/ml)，4h后,加入150μl二甲基亚砜dmso,采用酶联免疫检测仪570nm测光密度值获得标准曲线。分别对比实施例1-5和对比例1-3与标准曲线的吸光度值，得出实验组和对照组粘附至微晶玻璃材料表面的细胞数量，结果见图5。

单位体积的材料最多可粘附bmscs数量＝最高粘附细胞数/材料的体积。

通过图5可以看出，同没有加入锶源的对比例1相比，实施例1-5的微晶玻璃单位体积材料表面的细胞粘附数远远高于对比例1，实施例1-5中通过在微晶玻璃材料中加入锶元素形成磷酸锶次晶相，有效提升了细胞的粘附，成骨活性好，具有更好的修复效果，尤其是实施例1、2、3和5，次晶相中磷酸锶含量达到2％以上，单位体积材料表面的细胞粘附数均达到了3.3×10⁵以上，具有优异的生物相容性。对比例2的微晶玻璃中锂元素含量较低，同实施例1相比，单位体积材料表面的细胞粘附数下降约12.5％；对比例3中，由于采用一段升温方式，使晶化后的微晶玻璃中主晶相和次晶相含量同实施例1相比均有所下降，单位体积材料表面的细胞粘附数同实施例1相比下降约25％。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。