一種粗糙表面微納米生物活性玻璃微球的制備研究

＊李正茂 張嘉芬 苗國厚

（廣州醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院·廣東省口腔組織修復(fù)與重建工程技術(shù)研究中心·廣州市口腔再生醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究重點實驗室 廣東 510182）

引言

生物活性玻璃（Bioactive Glasses，BG）自發(fā)明以來，因其良好的生物相容性和促進(jìn)組織修復(fù)性能，在臨床和研究領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著科技的發(fā)展，生物活性玻璃先后經(jīng)歷三次制備技術(shù)的更新，從20世紀(jì)70年代Hench教授發(fā)明的熔融法生物活性玻璃[3-4]，到90年代出現(xiàn)的溶膠-凝膠法生物活性玻璃[5]，再到近年來的微納米生物活性玻璃（MNBG），其中MNBG具有更大的比表面積，能夠更快的釋放鈣、硅離子，因此具有更高的生物活性[6]。由于顆粒尺寸小，微納米生物材料易被胞吞至細(xì)胞內(nèi)部而發(fā)揮生物學(xué)特性。Zhou等通過設(shè)計一種多功能介孔二氧化硅納米載體用于雙重遞送成骨基因和促進(jìn)成骨分化的藥物來增強(qiáng)干細(xì)胞成骨作用[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)MNBG微球在軟硬組織修復(fù)方面具有良好的促進(jìn)作用[9-10]，王麗艷等發(fā)現(xiàn)納米生物活性玻璃微球材料可有效地引導(dǎo)牙周病致牙槽骨垂直吸收缺損部位的牙槽骨再生[11]。張文發(fā)現(xiàn)鍶摻雜微納米生物活性玻璃能夠通過NFATc信號通路以及Wnt/β-catenin信號通路的協(xié)同作用促進(jìn)成骨分化作用[12]。

目前研究較多的是光滑表面生物活性玻璃微球的制備及其生物學(xué)性能研究[13-14]。本文在光滑表面MNBG微球基礎(chǔ) 上[15-16]，通過優(yōu)化制備工藝參數(shù)，制備出一種針片狀粗糙表面微納米生物活性玻璃（MNBGr）微球，并對其進(jìn)行了一系列物化性能表征測試。

1.材料與方法

(1)實驗試劑

正硅酸乙酯（TEOS）、四水合硝酸鈣（CN）和無水乙醇均購自廣州市金華大化學(xué)試劑有限公司（分析純）；氨水購自天津市大茂化學(xué)試劑廠（分析純）；去離子水為實驗室自制。

(2)MNBG微球的制備

先將無水乙醇、去離子水和氨水加入100ml燒杯中，放置于磁力攪拌器上，攪拌30min后至透明溶液A，攪拌速度為600rpm；再將無水乙醇和TEOS依次加入100ml燒杯中，放置于磁力攪拌器上，攪拌30min后至透明溶液B，攪拌速度為600rpm；然后，將溶液A快速加入溶液B中，形成懸浮液C，攪拌速度1000rpm，持續(xù)攪拌30min；接著，將懸浮液C中加入CN后持續(xù)攪拌1h，無水乙醇洗滌三次，冷凍干燥；最后，650℃熱處理1h，即得MNBG微球。

(3)MNBGr微球的制備

先將無水乙醇、去離子水和氨水加入100ml燒杯中，放置于磁力攪拌器上，攪拌30min后至透明溶液A，攪拌速度為600rpm；再將無水乙醇和TEOS依次加入100ml燒杯中，放置于磁力攪拌器上，攪拌30min后至透明溶液B，攪拌速度為600rpm；然后，將溶液A快速加入溶液B中，形成懸浮液C，攪拌速度1000rpm，持續(xù)攪拌1h；接著，將懸浮液C中加入CN后持續(xù)攪拌1h，超聲20min，靜置陳化1d，無水乙醇洗滌3次，冷凍干燥；最后，650℃熱處理1h，即得MNBGr微球。

(4)表征測試

樣品的表面形貌采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，Merlin，Zeiss，Germany）在5kV加速電壓條件下進(jìn)行觀察。微納米生物活性玻璃的物相組成通過X射線衍射儀（XRD，Empyrean，PANalytical，Netherlands）在CuKα輻射（λ=0.154nm）條件下測定，樣品的粒徑大小和表面Zeta電位通過納米粒度電位儀（Zetasizer，Nano ZS，Malvern，UK）測定。

2.結(jié)果與討論

MNBG和MNBGr微球的FESEM顯微形貌表征結(jié)果見圖1所示。從圖中可以看出MNBG微球顆粒呈表面光滑、粒徑均一的球形。MNBGr微球顆粒則呈現(xiàn)表面粗糙的球形，經(jīng)顯微放大觀察，發(fā)現(xiàn)其表面被針片狀結(jié)構(gòu)所覆蓋，這一結(jié)果可能是由于制備過程中的參數(shù)變化導(dǎo)致的，具體包括反應(yīng)體系中pH值以及反應(yīng)結(jié)束后的超聲處理時間和陳化時間不同等因素。同MNBG微球相比，MNBGr微球由于表面被針片狀結(jié)構(gòu)覆蓋導(dǎo)致了顆粒尺寸出現(xiàn)一定程度的增加。

圖1 MNBG和MNBGr微球的FESEM顯微照片

X射線衍射分析法是研究物質(zhì)的物相和晶體結(jié)構(gòu)的主要方法。當(dāng)某物質(zhì)(晶體或非晶體)進(jìn)行衍射分析時,該物質(zhì)被X射線照射會產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象。MNBG和MNBGr微球樣本的粉末XRD衍射譜圖結(jié)果見圖2所示。從圖中可以看出，MNBG樣品組呈現(xiàn)典型的非晶態(tài)“饅頭峰”，說明MNBG微球為玻璃相結(jié)構(gòu)[17]。MNBGr組衍射峰的非晶態(tài)“饅頭峰”形態(tài)未見明顯改變，這一結(jié)果表明我們制備的這一針片狀表面微納米生物活性玻璃微球沒有因為顯微形貌的變化而引起其玻璃相結(jié)構(gòu)的改變。

圖2 MNBG和MNBGr微球的XRD衍射譜圖

MNBG和MNBGr微球的粒度分布和Zeta電位值結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，MNBG微球的顆粒直徑范圍在387.2±6.3nm，Zeta電位值在-18.5±0.7mV。MNBGr微球的顆粒直徑范圍在572.6±76.9nm，Zeta電位值在-16.9±0.4mV。隨著針片狀結(jié)構(gòu)在微球表面的覆蓋，MNBGr組相比MNBG組粒徑有所增大，同時，覆蓋量的不同也導(dǎo)致了MNBGr微球粒徑大小有范圍的波動，同時，粒徑的增大也導(dǎo)致了微球表面電荷Zeta電位絕對值的下降[18-19]。

圖3 MNBG和MNBGr微球的粒度分布和Zeta電位值

懸浮液中粒子具有較大的Zeta電位絕對值（較大的正或負(fù)值），他們將傾向于互相排斥，沒有絮凝的傾向。但是如果粒子的Zeta電位絕對值較小，則表面電荷斥力不能阻止粒子接近而會產(chǎn)生絮凝[20]。穩(wěn)定與不穩(wěn)定懸浮液的Zeta電位分界線一般認(rèn)為是±30mV。Zeta電位大于+30mV正電或小于-30mV負(fù)電的粒子，通常認(rèn)為在懸浮液中是穩(wěn)定分散的。因此，粒徑的增大降低了MNBGr微球在溶液中的分散穩(wěn)定性[21]。

3.結(jié)論

近年來，微納米生物活性玻璃進(jìn)入人們視野，它們非常適合將治療性分子傳遞到細(xì)胞中。細(xì)胞胞吞是微納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)方面進(jìn)一步應(yīng)用，胞吞效率取決于表面電荷和顆粒的尺寸大小、形狀以及表面化學(xué)性質(zhì)。前期研究發(fā)現(xiàn)，微納米生物活性玻璃微球易被巨噬細(xì)胞胞吞至胞質(zhì)中，進(jìn)而發(fā)揮其細(xì)胞生物學(xué)特性，起到顯著下調(diào)促炎相關(guān)因子表達(dá)的作用[15]。

本文在前期研究基礎(chǔ)上，通過改性Stober法成功制備出一種粗糙表面結(jié)構(gòu)微納米生物活性玻璃微球，該粗糙表面呈針片狀堆積結(jié)構(gòu)，微球顆粒直徑大小在570nm左右。這一針片狀表面微納米生物活性玻璃微球?qū)⒂型麘?yīng)用于軟硬組織再生修復(fù)領(lǐng)域。