生物玻璃的组成和结构特征

第一种被证明可以与骨结合的生物活性玻璃,其组成范围中包含有一定比例的SiC)2、 Na20、CaO和P205。这类生物活性玻璃有三条组成要素:①Si02的摩尔分数低于60%;

②Na2()与CaO的含量高;③Ca0/P205较高。这些特征使材料暴露在水性介质中的表面会 有很尚的活性。

许多生物活性玻璃都是基于45S5生物玻璃,商品名为45S5的Na20-Ca0-SiO2-P205系 统玻璃植入生物体内后能够与自然骨牢固地结合在一起。这类生物活性玻璃在体液环境中, 会从其表面溶出Na+,玻璃表面生成富Si02凝胶层;在自然骨一侧,成骨细胞生长并繁殖 成骨胶原纤维,同时Ca2+及P5+从玻璃中溶出,在骨胶原纤维周围以羟基磷灰石晶体的形态析出,从而使生物活性玻璃与活骨两者自然地结合在一起。研究表明,生物活性玻璃作为人工骨材料长期植入体内是安全稳定的。生物活性玻璃一般为Ca0-Si02-P205系统,分含有Mg〇、K20、Na2〇、A1203

B203、Ti〇2等,玻璃网络中非桥氧所连接的碱金属和碱土金属离子在水相介质存在时,易溶解释放一价或二价金属离子,使生物玻璃表面具有溶解性,这是玻璃具有生物活性的基本原因,所以非桥氧所占比例越大,玻璃的生物活性越高。生物活性玻璃的结构特

点如下。

①基本结构单元磷氧四面体中有3个氧原子与相邻四面体共用,另一氧原子以双键与 磷原子相连,该不饱和键处于亚稳态,易吸收环境水转化为稳态结构,表面浸润性好。

②随碱金属和碱土金属氧化物含量增加,玻璃网络结构逐渐由三维变为二维、链状甚 至岛状,玻璃的溶解性增强,生物活性也增强。向磷酸盐玻璃中引入Al3+、B3+、Ga3+等 三价元素,可打开双键,形成不含非桥氧的连续结构群,使电价平衡,结构稳定,生物活性 降低。

相对于其他生物材料,生物活性玻璃具有以下特征。

①生物活性高不同的生物玻璃之所以能在临床上获得成功,均归因于其能与骨组织 形成稳定且高机械强度的界面结合。Bioglass等生物活性材料,具有促进原始细胞增殖和分 裂的显著特征,植人体内后其表面快速反应并伴随Si、Ca、P和Na离子溶解,材料的溶解 离子产物能在细胞水平上增强骨细胞增殖,具有促骨生长作用(osteoproduction);而合成 轻基磷灰石烧结陶瓷只具有骨传导作用(osteoconduction),骨沿着其表面爬行生长。

②组成的可设计性和性能的可调节性与单组分材料相比,生物玻璃可通过改变其成 分或微晶玻璃中晶相的种类和含量来调节生物活性、降解性和机械性能等,以满足不同的临 床需求。如在CaO-「〇2玻璃系统中引人少量磷,能显著提高材料的生物活性;在玻璃相中 引入氟金云母和磷灰石相,能提高材料的可切削性能,并可保持材料的生物活性;通过对 Bioglass玻璃晶化,虽然材料的生物活性稍有降低,机械性能却大幅度提高。

除了目前已广泛应用的45S5生物玻璃,人们还通过添加组分和调整系统组成开发了一 系列的新材料。如用45S5玻璃涂在氧化铝基体上可制成牙根矫形固定物;用Ca0-P205微 晶玻璃作为人工骨和人工牙齿的代用材料;研制新型多孔钙铝磷酸盐玻璃作为人工骨植人材 料;以及前面已提及的各种生物微晶玻璃等。


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