基于生物羟基磷灰石的含锶微晶玻璃复合材料的开发和表征

背景

羟基磷灰石 (HA) 和其他生物活性磷酸钙材料，包括生物活性玻璃，可用于组织工程以替代骨组织。天然生物源羟基磷灰石（BHA）是一种纳米结构材料，其纳米结构和微观结构类似于骨组织的矿物质成分。

较早收到生产结果，并研究了基于生物和合成羟基磷灰石和玻璃相的各种类型的复合材料 [1,2,3,4,5]。据了解，在天然生物源羟基磷灰石（BHA）的化学成分中，还含有少量其他非有机化合物，如Ca4O(PO4)2、NaCaPO4、Ca3(PO4)2、CaO、MgO等。作为 Al ³⁺ 的痕迹 , Fe ³⁺ , Mg ²⁺ , Sr ²⁺ , K ⁺ , Si ⁴⁺ , Na ⁺ , 铜 ²⁺ , Zn ²⁺ , 和 CO3 ²⁻ [6,7,8,9]。因此，还研究并获得了使用各种生物活性添加剂的 BHA/玻璃复合材料，这些添加剂有助于成骨过程和新骨组织的形成。这些复合材料由离子添加剂 Fe ²⁺ 合金化 /Fe ³⁺ 和 Cu ²⁺ [10, 11], Ce ²⁺ [12], Si ⁴⁺ [13], La ³⁺ [14] 等。

骨病理学疾病领域的一个现代问题是骨质疏松症的治疗，骨质疏松症是由于激素或其他原因导致患者骨组织密度变稀。这就是为什么开发新的生物活性材料可以刺激骨组织新细胞的形成并改善其结构的原因。由此看来，在磷酸钙材料的组成中引入锶离子可以提高其生物活性[15,16,17]。

用于体内骨组织再生的仪器的开发重点是细胞模型和分化过程。

作者 [15, 18] 指出了 Sr ²⁺ 的作用 在整个骨骼修复过程中维持骨再生，更具体地说，在细胞疗法的应用中。例如，锶雷奈特本身就是一种有趣的化合物，可以刺激骨形成并抑制骨吸收。在宽范围锶（Sr ²⁺ ) 体外浓度, 作者确定 Sr ²⁺ 在体外骨诱导过程中促进 PA20-h5 细胞增殖和 HA 形成。上面提到的数据指向了Sr ²⁺ 的作用 在整个骨骼修复过程中维持骨再生，更具体地说，在细胞治疗中的应用。

这项工作的作者 [17] 通过从水溶液中沉淀的方法（锶含量为 0 到 100 mol%）获得了含锶羟基磷灰石 (Sr-HA) 纳米粉末的稳定悬浮液。对获得的材料的研究表明，在 Ca ²⁺ 的同构置换中，锶在羟基磷灰石晶格中完全溶解 对于 Sr ²⁺ .锶的加入导致 c/a 比值的增加 在三斜基元胞中。观察到纳米粉末的形式和尺寸发生了显着变化，其中主要的生长方向是沿着 c 锶含量高的情况下出现偏轴。

悬浮液生物相容性研究的数据，从细胞活力、细胞凋亡、增殖和形态学的角度来看，使用骨肉瘤 SAOS-2 细胞系表明含有更多 Sr^{2 +} ，这样做实际上对细胞形态没有影响。

在工作 [19] 中，多功能多孔颗粒被开发为骨组织的填充剂和药物的载体。锶和镁替代材料 HA/TCP 的粉末，其成分接近人体骨骼的矿物质部分 [(Ca + Sr + Mg)/P =1,62]，通过沉淀得到，然后进行热处理和解聚。干燥和烧结允许接收用抗生素（左氧氟沙星）溶液饱和的多孔颗粒，冷冻，然后冻干。颗粒的药物释放和骨相容性的估计表明，锶合金颗粒在成骨细胞成熟中表现出最高水平的增殖和有效性。

从在 SBF 中表面发生的物理化学反应的角度来看，有一些关于锶添加剂对体外生物活性玻璃 1393 nBG 粒子行为影响的数据 [20]。与非合金玻璃 1393 nBG 相比，发现在 Sr 引入中磷灰石的形成减慢，这可能是 Sr 离子对 HA 结晶的抑制作用的结果。此外，发现与纯标准材料 1393 nBG 相比，在 Sr 合金玻璃 1393 nBG 的情况下，沉淀磷酸钙的结晶度较低。上述工作的作者还指出，HA生物活性玻璃的形成能力给出了其表面反应性的概念，这与纳米级生物活性玻璃颗粒在骨再生中的应用有关。

工作[21]的作者对大鼠进行的体内研究表明，含锶的大孔生物活性玻璃（Sr-MBG）对骨质疏松症大鼠的骨形成过程以及骨吸收减少有积极影响（骨质疏松大鼠）。研究表明，与非合金玻璃MBG（39.33%）和对照组（17.50%）相比，使用（Sr-MBG）导致骨形成增加（46.67%）。

本工作的目的是制备和研究基于生物源羟基磷灰石/玻璃复合材料的组织工程生物活性材料。

方法/实验

样品准备

如 [11] 中所述，制备了基于纳米结构生物羟基磷灰石 (BHA) 并添加硼硅酸钠玻璃（质量百分比：46 SiO2；28 B2O3；26 Na2O）的生物活性微晶玻璃复合材料。为了获得含 Sr 微晶玻璃复合材料样品，使用基于纳米结构生物羟基磷灰石 (BHA) 和硼硅酸钠玻璃的生物活性微晶玻璃复合材料粉末，其关系为 50/50% wt，并在 1100 °C 的温度下烧结（开始烧结)，然后被粉碎。将获得的复合材料粉末与氧化锶粉末 (1wt.%) 混合。 2.5 g 和 11 mm 直径的 BHA/玻璃和 BHA/玻璃-Sr 复合材料样品成型并在 780°C 温度下烧结。

表征方法

通过X射线衍射、红外光谱和扫描电镜对所得样品的相组成和结构进行了研究。

X 射线衍射

对于 X 射线分析，使用配备有附加计算机扫描系统、带铜阳极和镍过滤器的 X 射线管的 X 射线衍射仪 DRON-3M。因此，在中等波长λ =1,54178 Ǻ3的Cu-Kα辐射的帮助下获得了衍射图像。

红外光谱

此外，使用分光光度计 FSM 1202（TOV Infraspectr，俄罗斯）在 4000–400 cm ^{− 1} 波数范围内通过红外 (IR) 光谱研究材料 .

结构

使用REM-106I（VAT SELMI，Ukraine）通过扫描电子显微镜（SEM）研究了复合材料的结构。

孔隙率

检查复合样品的表观密度和总孔隙率和开孔率 (Θ t 和Θ 操作）。样品总孔隙率（%）按下式计算：

其中 ρ ap 是表观密度，g/cm ³ ;

ρpykn 是致密材料的比重密度，g/cm ³ .

对于 BHA ρ pykn =3.00 g/cm ³ .

为了确定开孔率，将样品称重并在真空中用乙烯饱和。饱和样品在水中和空气中称重。样品的开孔率(%)按下式计算：

其中 m 为样品在空气中的重量，g；

米 1 是空气中的饱和样品重量，g；

米 2 是在水中的饱和样品重量，g；

ρ w 是水的密度，g/cm ³ ;

ρ liq 是饱和液体（乙烯）的密度，g/cm ³ .

样品的闭孔率按下式计算：

体外生物活性测试

在 36.5 ± 0.5°C 的恒温器中暴露 2、5 和 7 天后，在等渗盐水溶液（0.9% NaCl）中以 1:30 的固液比对多孔样品的体外溶解度进行研究通过在精度为 0.0001 g 的分析天平“OHAUS Pioneer PA214C”（奥豪斯公司，中国）上测定质量损失。

结果与讨论

初始 BHA 和制备的复合材料的相组成的研究结果如图 1 和图 2 所示。 1、2、3和4。确定HA在BHA/玻璃复合材料中保持其相组成。

初始BHA的XRD图

BHA-玻璃复合材料的XRD图谱，主要相的最强峰标记

BHA/玻璃和BHA/玻璃-Sr复合材料的XRD图谱。

复合材料 BHA/玻璃和 BHA/玻璃-Sr 平面 (211)、(112)、(300) 和 (202) 的 XRD 谱

初始粉末 BGA 展示了对应于 PDF 文件 72-1243（表 JCPDS）（图 1）的衍射图像。所示标准衍射图属于具有周期а的六方原始晶格的晶体 =9432 和 с =6881 埃。使用峰值 (002)、(211)、(300)、(222) 和 (213) 计算周期，位于 2θ =24 ^° –52 ^° .因此，这种晶体的基本晶胞的体积等于 530,496 Ǻ ³ , 与标准文件中显示的值略有不同 – 530.14 Ǻ ³ .

以复合 BHA/玻璃中非晶相的存在为代价，发生了液相烧结过程。由于玻璃相和 ВНА 组分的积极相互作用，形成了新的晶相。通过 XPA 的结果确定了 BHA/玻璃复合材料的基本晶相（图 2）。已确定获得的复合材料是异质材料。下列相中的峰最强：Ca10(PO4)6(OH)2、Na2Ca3Si3O10、Ca2SiO4、Na4SiO4、Na2BO2。

晶胞的体积取决于其完美程度，即适当填充形成羟基磷灰石一部分的离子。对基本 HA 细胞的结构特征进行了足够深入的研究 [9, 22, 23]。使用现有数据，我们可以说平面 (004) 的组成中包含磷、氧和钙原子，而平面 (211) 由氧原子和 (202)– 离子组成 СаII ^{2 +} .氧的主要量在四面体РО4 ³⁻ 的组成中 .由于相对强度取决于耗散的原子因子（其他因素相同），峰（202）的相对强度–I (202)/我 (211) 可以间接证明离子Са ²⁺ 中空位数量的变化 或他们的缺席。需要注意的是，Cu-K 的原子散射因子 对于 Са ²⁺ ，α 辐射在 sinθ/λ=0.5 离子等于 8.1，对于 Sr ²⁺ 离子 – 19.6 [24]。离子置换Са ²⁺ 对于 Sr ²⁺ 离子增加周期а 和 с 羟基磷灰石中的晶格 [25]。所以，如果上述替换导致固溶体 Ca10−x 的公式 x (PO4)6(OH)2，其中 х =1，则基本晶胞的体积超过该值~ 540Ǻ ³ .

在BHA/玻璃的组成中加入1质量％的氧化锶基本上不会改变复合材料的相组成；这可以从衍射图像的比较中看出，衍射图像位于一张图中，强度没有任何变化（图 3 和 4）。

然而，BHA/glass 和 BHA/glass-Sr 峰的中心位置存在差异，BHA/glass-Sr 峰的强度降低，向大角度一侧移动（图 3）。 4）。可能，与非合金复合材料相比，将锶引入 BHA/玻璃会导致晶相数量减少，并且有助于形成复合材料的晶体结构，但代价是晶相转变为非晶态（图 3)。在图 4 中，给出了 ВНА 的主峰，它们在角度范围 2θ 内扩展并用垂直线表示。

晶体的内部体积根据无瑕羟基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2 的组成计算，对应于 PDF 文件 72-1243（表 JCPDS）。通过XPA的结果进行晶格尺寸的计算表明周期а的变化 和 с ，以及晶格的体积（表 1）。很明显，在与复合材料成分发生强烈相互作用的情况下，锶会导致晶体结构的退化，导致面间距的减小，从而导致 BHA 单元晶胞的体积减小。作者的工作[25]中给出的数据表明晶格基本参数的增加（周期а 和 с , 晶格体积) НА 溶胶-凝胶置换 НА 中的 Sr。然而，如上所述，我们研究的材料基于生物羟基磷灰石，并含有 50% 的玻璃相。可能，在 ВНА 与玻璃相的相互作用中，会形成新的晶相（图 2），理论上，这会导致 Са/Р 比的变化并对空位的形成产生影响 Са ^{2 +} .这些变化会导致周期а的变化 , с ，以及基本晶格的体积（表 1）。 BHA/玻璃复合材料中额外引入锶会增加对HA基元晶格参数的影响。

众所周知 [26] 羟基磷灰石光谱的特征是具有大约 1040 和 570 cm ^{− 1} 的两组密集波段 .

基于 BHA 和硼硅酸钠玻璃的复合材料吸收的红外光谱分析表明，对于这样的系统，BHA 和硼硅酸钠玻璃的光谱叠加是典型的（图 5）。我们在工作 [27] 中描述了基于 HA 和硼硅酸钠玻璃的复合材料的 IR 频率的完整分配。将 1% 的锶引入到这种组合物中会导致所研究的红外光谱的所有吸收带显着扩展，并在 ν ~ 1050–700 cm ^{− 1} 范围内改变吸收带的形状和频率 以及波段从 ν ~ 1045 cm ^{− 1} 的偏移 与初始 BHA 相比，长波长侧（图 5）。这种变化可能与锶添加到所研究的组成系统中的影响有关。然而，所研究组合物中吸收带表现区域的重叠使得明确解释变得困难。应该注意的是，混合原子和其他缺陷的存在对振荡的红外光谱有很大的影响。在研究的样本中，存在来自大气的 СО2 和少量残留的有机反应产物 (1900–2000 cm ^-1 ) 被观察到。

BHA/玻璃和BHA/玻璃-Sr复合材料的红外光谱。

总孔隙率及其开闭部分的调查结果如图 6 所示。结果表明，复合材料 BH-/玻璃-Sr 的总孔隙率实际上是复合材料 BHA/玻璃的 2 倍，可达 61% .如此高的孔隙率使复合材料成为骨组织的结构类似物，其总孔隙率在 55-70% 的范围内 [7]。此处，掺杂锶的复合材料的开孔率份额也高于未掺杂的复合材料。引入锶后，开孔率从 6% 增加到 10%（图 6）。

BHA/玻璃和BHA/玻璃-Sr复合材料的孔隙结构。

在我们的案例中，锶被引入到制备的复合材料中，这可能涉及玻璃相组成的变化以及硅氧骨架结构的减弱。作为上述过程的结果，它降低了粘度，这是决定烧结过程中扩散过程的基本因素 [28]，并导致结晶玻璃复合材料发泡。结果，可能会导致 ВН-/玻璃表面的相互作用增加，即 ВН- 和玻璃相之间的离子交换增加。可能，它导致 ВНА 结构中钙离子部分取代锶离子，随后钙离子转变为玻璃相，形成新的晶相，不仅导致晶格的后续变化，而且整个复合材料的结构。

图 7 表示所研究的复合材料的表面微观结构和断裂。从给出的显微照片我们可以看出，BHA/玻璃和BHA/玻璃-Sr的结构可以通过牺牲材料液相烧结的一些特征而形成的基体结构来表征。在这里，硼硅酸钠玻璃相形成了一个“框架”，其中有羟基磷灰石的晶体颗粒。这样做时，孔径的范围很广，从 1 到 600 μ。在我们看来，BHA/玻璃和 BHA/玻璃-Sr 材料中不同尺寸的孔的可用性与孔形成的不同性质有关：尺寸为 100-600 μ 的孔的形成是以晶间为代价的空闲空间；尺寸小于 100 μ 的孔——以最终烧结时玻璃体发泡为代价 [10]。复合材料结构中的团聚体由尺寸> 0.2 μ 的颗粒形成。在这里，在表面上，我们清楚地看到晶体的附聚物形成，其横截面具有不同的形状和尺寸，从 1 到 4 μ，对于 BHA/玻璃-Sr，其长度达到 30 μ。在此过程中，仅在复合样品表面观察到这些晶体团块的形成。

BHA/玻璃和BHA/玻璃-Sr复合材料的微观结构

整体而言，样品内部的微观结构明显是多孔的，换言之，它的特点是存在多尺寸的孔隙，这在生物陶瓷在下与人体有机体介质直接接触。

所有研究的复合材料在盐水暴露 2、5 和 7 天后的体外研究表明，BHA/玻璃-Sr 复合材料的溶解度高于 BHA/玻璃复合材料（图 8）。从图 8 可以看出，BHA/玻璃-Sr 复合样品在生理溶液中的溶解速率超过 BHA/玻璃复合材料的 2-4 倍，这取决于在生理溶液中的时间。在生理溶液中停留 2 天后，BHA/玻璃-Sr 复合材料的溶解率最高，为 0.19% 质量/天。两种复合材料的溶解速率动力学性质不同。

BHA/玻璃复合材料和 BHA/玻璃-Sr 复合材料在盐水中的溶解率（2、5、7 天）

由于两种复合材料中玻璃相的含量几乎相同，因此其数量对溶解的影响也类似。因此，获得的结果可能是由于 BHA/玻璃-Sr 复合材料的孔隙率显着更高，以及与 BHA/玻璃复合材料相比，开放孔隙率的份额更大。

获得的复合材料可应用于医学上，以替代患者骨组织的一些缺陷区域。获得的材料具有广泛的孔径范围，使其可用于人体骨骼的各个区域。

结论

在生物源羟基磷灰石和玻璃相的基础上获得了新的掺锶复合材料。 XPA 表明获得的复合材料是异质材料。 BHA/玻璃复合材料中作为合金添加剂的玻璃相和锶的含量对BHA基元胞参数的变化有影响，即导致羟基磷灰石晶格的减小。还确定 BHA/玻璃-Sr 复合材料在生理溶液中具有更高的孔隙率和更高的溶解率，这使得所获得的复合材料作为远景材料可用于医学上替代患者骨组织缺陷区域。