医用生物活性玻璃的红外光谱分析及其生物活性探讨

医用生物活性玻璃的红外光谱分析及其生物活性探讨

生物医学工程学杂志 1999年第0期第16卷 无机生物材料及有机/无机复合材料组

作者：付 静 陈晓峰 张梅梅 张晓凯

单位：付 静 陈晓峰 张梅梅（山东轻工业学院 无机材料系）；张晓凯（山东师范大学 分

析测试中心）

关键词：生物玻璃；模拟生理溶液；碳酸羟基磷灰石(HCA)；生物活性；红外光谱 摘要 生物玻璃在模拟生理溶液中浸泡，表面生成与人体骨骼无机矿物成分相似的碳酸羟基磷灰石(HCA)［Ca 10(PO 4)6)(2HO -，］，本实验主要应用傅立叶红外变换光谱仪对其进行测定，并辅以扫描电镜(SEM)分析手段，通过体外实验(In Vitro)观察了HCA 的形成

过程及其表面形貌，探讨了生物玻璃的活性机理。

Infro-Red Spectrum Analysis on A Medical Bioactive Glass

and Investigation on Its Bioactivity

1 引 言

生物玻璃的生物活性在于植入人体后，通过一系列表面化学反应，生成碳酸羟基磷灰石(HCA)，与人体活骨组织产生牢固的化学结合，HCA 是衡量材料生物活性的标志。红外光谱

分析是用来测定HCA 的准确而又快捷的手段。在红外光谱图上，波数在602 cm -1和560 cm

-1处的反射峰是HCA 的特征峰［1］，对浸泡不同时间的生物玻璃进行红外光谱分析，根据HCA

特征峰出现的早晚，确定生物玻璃活性的高低。

2 实 验

2.1 本实验样品的化学组成(表1［2］)。

表1 生物玻璃化学组成

生物成玻璃的制备：

2.2 模拟生理溶液的制备

采用分析纯试剂，根据人体细胞外液(血浆)中各离子的浓度，制得模拟人体细胞外液

(SBF)，如表2。

表2 SBF 溶液及人血浆中各离子的浓度(mM)

2.3 模拟生理溶液的制备

采用分析纯试剂，根据人体细胞外液(血浆)中各离子的浓度，制得模拟人体细胞外液

(SBF)，如表2。

2.4 红外光谱分析

玻璃在红外区的吸收属于分子吸收，红外光的某一频率与玻璃中分子振动(或相当于分子大小的官能团)的本征频率相近或相同引起共振，产生红外吸收［3］。

本实验按玻璃表面积/溶液体积=0.1 cm-1的比例，将试样浸泡不同时间，取出烘干，利用Nicolet Avatar 360傅立叶变换红外光谱仪进行测定，得到漫反射光谱。

2.5 SEM分析

将浸泡不同时间的样品敲击成合乎样品台尺寸的薄片，用5%HF溶液处理10秒，并在TB-5型离子溅射仪上进行喷铂处理，然后在H-800型透射电子显微镜上配有的H-8010型扫

描电镜上做形貌观察。3 结果与讨论

随浸泡时间的延长，曲线a上1060 cm-4处Si-O伸缩振动峰和925 cm-1处Si-O-Si伸缩振动峰被P-O伸缩振动所取代，磷酸盐无定形相的P-O扭曲振动出现；浸泡24 h，HCA晶体出现，表现为602 cm-1和560 cm-1左右出现特征峰。波数在480 cm-1出的Si-O弯曲振动峰是衡量HCA厚度的标志［4］；浸泡36 h以后，S-O变曲振动峰消失，说明HCA具有一定厚度，

并已覆盖玻璃表面。

通过照片可以清楚地看到HCA形成的全过程及其形貌。随浸泡时间的延长，玻璃表面出现团粒状覆盖层(Ca-P)，继续浸泡，颗粒逐渐长大，覆盖层变厚。36 h后，形成一定厚度的板状HCA层，玻璃表面完全被覆盖，这与红外光谱分析结果一致。玻璃表面失重，是由于玻璃中Na+、Ca2+、PO3-4/P5+、Si4+的溶解而造成的［5］。玻璃表面失重随浸泡时间加长而增加，

最后趋于恒定。

图1 生物玻璃在模拟细胞外液中浸泡不同时间的FTIR图谱

图2 生物玻璃在模拟细胞外液中浸泡不同时间的SEM照片

图3 生物玻璃在模拟细胞外液中的重量变化曲线

综上所述，生物玻璃的活性机理可如下描述：

生物玻璃植入体内，玻璃中的Na+与溶液中的H+发生离子交换，生成Si-OH。H2O直接攻击Si-O-Si键，导致Si-O-Si键断裂，生成Si-OH。Si-OH团缩合在玻璃表面形成多孔疏松的硅胶层，玻璃中的Ca2+、PO2-4/P5+便会通过气孔扩散到溶液中，导致玻璃失重，溶液中Ca2+、PO3-4/P5+过饱和而在硅胶层上积聚，形成富Ca、P层。由于溶液中OH-、CO2-3的作用，Ca、P 层进一步晶化形成含碳的羟基磷灰石(即HCA)，与人体软、硬组织产生牢固的化学结合。

4 结论

(1)红外光谱分析，SEM是鉴定生物玻璃活性的有效手段。

(2)Na2O-CaO-SiO2-P2O5系统玻璃在模拟生理溶液中浸泡，表现出良好的生物活性，可以

用作人体骨骼的修复材料。

(3)HA是衡量材料生物活性的标志，它在与人体软、硬组织结合过程中起关键作用。

参考文献

1 钟吉品.生理玻璃的研究与发展.无机材料学报，1995；6(2)∶132

2 Hench LL. Bioceramics:From Concept to Clinic. J Am Ceram Soc, 1991; 74(7)∶

1487

3 西北工业学院主编.玻璃工艺学.北京：中国轻工业出版社，p150

4 Wilson J, Hench LL, Greenspan D. Bioceramics, Vol 8∶478

5 陈晓峰等.可切削生物活性微晶玻璃在模拟细胞外液中的界面行为.山东轻工业学

报，1992；6(2)∶1