生物活性玻璃

高分子0902 吴俊3090705061

生物活性玻璃研究及应用

摘要：生物活性玻璃是一种具有特殊组成和结构的硅酸盐玻璃材料。主要介绍

了生物活性玻璃的制备方法、特殊活性以及在各方面的广泛应用。

关键字：生物活性玻璃制备活性应用

绪论

生物材料，包括生物玻璃、生物玻璃陶瓷、生物磷酸钙陶瓷以及生物复合材

料、生物涂层等，是一类可对肌体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能的

材料。由于其具有较高的生物活性、生物相容性和化学稳定性，近几十年来的研

究十分活跃。

生物活性玻璃(bioactive glass，BG) 是一种具有特殊组成和结构的硅酸盐

玻璃材料，由美国佛罗里达大学Hench教授在1969年研发出来的。具有与骨组

织形成化学性结合能力，与骨组织和软组织均有良好的结合能力，在植入体内后

生物活性玻璃表面即与体液发生离子反应，最终在玻璃表面形成类似骨中无机矿

物的低结晶度碳酸羟基磷灰石层(HCA)，因化学组成与生物体的骨骼相似，容易

与周围的骨骼形成牢固的化学键合即骨性结合，具有优良的骨诱导性、骨传导性

及生物相容性，已成为材料科学、医学以及生物科学等学科的热点，越来越受到

人们的重视，特别是生物活性玻璃复合材料的研发成功，更是给人类健康带来了

又一突破性进展，广泛开展生物活性玻璃复合材料的研究具有重要的理论价值和

应用价值。

1.生物活性玻璃的制备

与传统玻璃制备工艺一样，最早的生物玻璃和微晶玻璃都是通过熔融法制备

的。随着溶胶凝胶技术的发展，该方法被引用到生物玻璃的制备中来，该方法制

备的生物玻璃由于具有高的比表面积，显示出了较高的生物活性。

1.1熔融法

高温熔融法是大规模工业生产的主要方法也是传统的玻璃制备方法，这种方法具

有工艺成熟，操作简单，制得玻璃质量高等特点。高温熔融法制备玻璃时在反应

中参与反应的组分的原子或离子受到晶体内聚力的限制，所以反应动力学的决定

因素有晶体结构和缺陷、物质的化学反应活性和能量等内在因素;也有反应温度、

参与反应气相物质的分压、电化学反应中电极上的外加电压、射线的辐照、机械

处理等外部因素。本研究充分利用实验室现有的条件，所有试样均采用高温熔融

冷却法制备。实验在空气环境下，于硅碳棒加热炉中熔化;玻璃均化好后在加热

的铁板上淬火成型，之后在马弗炉中退火处理。所有玻璃均采用氧化铝柑祸熔制。

熔融法制备生物玻璃的方法与传统制备玻璃的方法没有本质差别。一定纯度的粉体原料按照化学计量比混合均匀，在高温(1300~1500℃)下熔融，然后淬冷制得玻璃块体，微晶玻璃则还需要进一步的热处理析晶过程。由于生物玻璃中多含碱金属成份，在高温下腐蚀性极强，容易腐蚀增祸带入杂质，因此对增祸具有严格的要求，最好是用铂金增祸。而1300~1500℃的高温熔融，对高温设备也有一定的要求，同时能耗较大。

含CaO和P2O5的生物玻璃，最具代表性的是Hench等人研制的组成为Na2O24.5%、CaO24.5%、SiO245%、P2056%的Na2O-CaO-SiO2-P205系生物玻璃。Hench生物玻璃的制备过程是将高纯度化学试剂的纯石英(平均颗粒度为5pm)的混合物在含10%锗的铂金柑祸内熔化，然后将增祸密封以避免挥发。将配合料熔融两个小时不要揭开盖子以使其充分均化。大多数规格不同的植入体骨件的制备是将玻璃液倾入不同的石墨模具中。对于直径超过1cm的样品，模具要预热到300℃，小件或者薄平的试样是在室温一F倾入石墨模具中的。然后将试样很快转入退火炉中。在退火温度下的热处理时间是4h，此后试样随炉缓慢冷却至室温。

表2-1给出了不同组成的Hench玻璃的熔点和退火温度。在熔化和退火过程中需要特别精细以防止生物活性玻璃的任何热致裂纹。

将这种玻璃植入骨骼的缺损部位后并不生成软组织膜而直接与生物骨骼形成紧密的化学结合。

采用熔融法制备的玻璃具有致密的结构，密度大，比表面积小，生物活性依赖于化学组成。

1.2溶胶凝胶法

溶胶凝胶法是一种新兴的玻璃制备技术，溶胶一凝胶法是以金属醇盐为原料，在有机介质中进行水解、缩合反应，使溶液经溶胶一凝胶过程，加热凝胶干燥，然后锻烧得到最后产品。目前该法在无机材料科学界受到广泛重视，在稀土发光材料的合成中也占据了极大的比重。这种方法在20世纪90年代才被引用到生物玻璃的制备过程中。

溶胶凝胶生物玻璃的玻璃网络结构主要来自于其凝胶过程Si-O的聚合，而不是靠熔融过程中的Si-O重组，锻烧主要是除去凝胶中的有机成份和硝酸根，因此其锻烧温度较低，只需600~800℃，以保证硝酸根的排除。溶胶凝胶法制生物玻璃主要采用金属醇盐作为生物玻璃中氧化物的前驱体，一般使用正硅酸乙醋(TEOS)作为SiO2的前驱体，磷酸三乙醋(TEP)作为PZO:的前驱体，碱金属和碱土金属氧化物则采用各自的硝酸盐作为前驱体。TEOS和TEP在酸或碱的催化作用下在水溶液中进行水解形成溶胶，然后加入硝酸盐等混合均匀，均化后得到凝胶，再经过干燥和锻烧后得到玻璃。溶胶凝胶生物玻璃的制备前期是一种简单的化学过程，后期又不需要过高温度的锻烧，整个工艺过程操作简单，对设备的要求不高。在干燥和锻烧过程中，凝胶块体容易碎裂，而后又不经过熔融成型过程，通过该方法难以得到大块的玻璃块体材料。在锻烧过程中，有机物、水份和硝酸根的排除留下大量的孔洞，溶胶凝胶玻璃具有多孔的结构，密度小，比表面积高，生物活性高，在保持生物活性的前提下，其化学组成可在较大范围内进行调整。

溶胶凝胶法反应温度一般为室温或稍高一点，大多数有机活性分子可以引入此体系中并保持其物理性质和化学性质：反应从溶液开始，易控制各组分的比例，且达到分子水平上的均匀，所以产品组成均匀;缺点是反应的原料价格高，且有时较难制得，反应操作也较复杂，周期长。

1.3微晶化工艺

微晶玻璃是将加有成核剂(个别可以不加)的特定组成的基础玻璃，在一定温度下热处理后，就变成具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料。微晶玻璃与普通玻璃的区别，主要是它们具有结晶结构，而同陶瓷材料的区别，主要是它们的结晶结构更细。

微晶玻璃的生产过程，除增加热处理过程外，同普通玻璃的生产工序一样。它的性能是由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量所决定的。调整上述各因素，就可以生产出各种预定性能的材料。微晶化过程又可分为光敏微晶化和热敏微晶化。热处理是微晶玻璃产生预定晶相和玻璃相的关键工序。微晶玻璃的结构，取决于热处理的温度制度。热处理时，玻璃中先后发生分相、晶核形成、晶体生长、二次结晶生长等过程。对于不同各类的微晶玻璃，上述各过程进行的方式也不同，所以每种微晶玻璃都有自己的特殊热处理温度制度。热敏微晶玻璃如在成型后不需要进行进行机械加工或者热加工时，可以进行晶化热处理，同时完成退火的工序。

一般采用分段的退火方式进行。第一阶段是在一定温度下保温，使玻璃中产生尽可能多的晶核，这是制得具有微晶玻璃结构材料的先决条件。第二阶段是在较高一些的温度下，令晶体生长，使基础玻璃转化为以微晶结构为主的微晶玻璃。多数微晶玻璃经两个阶段热处理就完成了全部结晶化过程。有时候也要在更高的温度下进行第三次热处理。