[科普中國]-生物活性微晶玻璃

微晶玻璃是通過對(duì)玻璃進(jìn)行一定組成與晶相設(shè)計(jì)并采用一定的熱處理工藝使玻璃基相中發(fā)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余玻璃相的復(fù)合材料，又稱為玻璃陶瓷。通過對(duì)微晶玻璃化學(xué)組成、晶相種類和比例的目標(biāo)設(shè)計(jì)，可以使材料在保持一定生物活性的基礎(chǔ)上，其力學(xué)性能(如抗折強(qiáng)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于制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。

可切削生物活性微晶玻璃針對(duì)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(diǎn)，這類微晶玻璃的特點(diǎn)是既具有一定的生物活性(低于生物活性玻璃)、可與骨組織形成骨性結(jié)合界面，又具有較好的加工性能，可根據(jù)臨床需要利用一般的機(jī)加工方法(如車削、打磨、鉆孔、攻絲等)制成各種不同形狀的部件，材料不會(huì)發(fā)生破裂?？汕邢魃锘钚晕⒕РＡУ闹骶嗍欠鹪颇负头谆沂?，前者是層狀硅酸鹽礦物，當(dāng)受到因加工而導(dǎo)致的外力時(shí)，首先會(huì)引起氟金云母的001晶面發(fā)生解理、滑移或剝脫，使外力從一個(gè)晶粒傳導(dǎo)到另一個(gè)晶粒，導(dǎo)致不同晶粒的001晶面連續(xù)發(fā)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(xiàn)微小鱗片狀的脫落，而不會(huì)發(fā)牛材料的破裂，從而被加工成一定的形狀，并可達(dá)到較高的加工精度?？汕邢魃锘钚晕⒕РＡб延糜谥谱魅斯ぢ犘」恰⑷斯ぷ刁w、長(zhǎng)骨骨管及下頜骨等?？汕邢魃锘钚晕⒕РＡг诰Щ幚砬半S著組成的不同可以具有不同的分相形式，而分相對(duì)于材料的析晶具有重要影響?？梢酝ㄟ^調(diào)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(dá)到控制析晶的目的。1

A·W生物活性微晶玻璃A．W生物活性微晶玻璃屬于五元系統(tǒng)微晶玻璃，其主晶相為氧氟磷灰石，氟磷灰石微晶有助于提高其生物活眭；而大量隨機(jī)取向、均勻分布的針狀硅灰石晶體則有利于提高材料的機(jī)械強(qiáng)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(yīng)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(jī)理見圖1。

A·W微晶玻璃表面在SBF溶液中形成羥基磷灰石層(HA)是由于材料的玻璃相中Ca2+和HSiO3-離子溶出，它們對(duì)于HA的形成具有重要作用。前者使得溶液的離了濃度相對(duì)HA達(dá)到過飽和，促進(jìn)HA析出；后者則為HA析出提供了有利的成核位。此外，由于材料中的玻璃相和口硅灰石微晶相的溶解，使材料中的氧氟磷灰石微晶相殘留于材料中，形成凹凸不平的粗糙表面，也有利于HA的晶核形成。2

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制備的45S5系列生物活性玻璃更高的生物活性。體外實(shí)驗(yàn)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(jié)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(shí)問。此外，相比較熔融法制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(yōu)點(diǎn)：

①通過溶-凝膠工藝制備生物活性玻璃的過程基本上是在室溫下進(jìn)行，后續(xù)的熱處理溫度在600～700℃，這要比熔融法(1350～1400℃)制備生物活性玻璃低得多，在工藝上易于操作。

②化學(xué)成分的均勻性可達(dá)分子級(jí)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(nèi)達(dá)到化學(xué)均勻，這同熔融法使用的微米級(jí)粉末原料的混合均勻度相比，提高104～105倍。

③高化學(xué)純度。溶膠-凝膠生物活性玻璃制備采用高純度化學(xué)試劑為原料，還可采用一些進(jìn)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(duì)材料的組成和分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和剪裁而賦予材料特定的理化和生物學(xué)特性，滿足特定部位的組織修復(fù)需要。

⑤溶膠-凝膠生物活性玻璃具有納米級(jí)微孔、巨大的比表面積、較高的化學(xué)活性和吸附特性，這些性質(zhì)對(duì)于制備組織修復(fù)材料具有重要意義。如通過復(fù)合、表面接枝、生物組裝與骨修復(fù)有關(guān)的蛋白和生長(zhǎng)因子等，使材料具有更好的組織修復(fù)功能。

⑥利用溶膠-凝膠法適合于制備超細(xì)粉體、薄膜、涂層、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(shí)現(xiàn)。2

結(jié)構(gòu)組成溶膠-凝膠生物活性玻璃的化學(xué)組成不同于熔融法制備的45S5系列生物活性玻璃。相對(duì)于后者的四元系統(tǒng)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(tǒng)。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(huì)喪失生物活性。這是由于隨著SiO2含量增高，玻璃硅氧網(wǎng)絡(luò)的連接程度越高，結(jié)構(gòu)越牢固，材料與生理溶液發(fā)生離子交換以及材料結(jié)構(gòu)中的離子擴(kuò)散越困難，在生理環(huán)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(dá)80%的情況下仍可使材料保持一定的生物活性，由于溶膠-凝膠生物活性玻璃的特殊制備工藝而導(dǎo)致玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)熔融法制備的生物活性玻璃，如結(jié)構(gòu)相對(duì)比較疏松、網(wǎng)絡(luò)中斷點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熔融玻璃，結(jié)構(gòu)中含有大量的OH-離子。同時(shí)，由于材料結(jié)構(gòu)中的納米微孔使其具有巨大的比表面積。這些結(jié)構(gòu)特性對(duì)于提高材料的生物活性具有重要意義。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

程鵬 - 副教授 - 西南大學(xué)