CN103143057B - 石墨烯/生物活性干凝胶及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯/生物活性干凝胶及其制备工艺与应用。其组分包括石墨烯和生物活性干凝胶，所述生物活性干凝胶包含如下摩尔百分含量的组分：CaO25~80mol%，SiO20~70mol%，B2O30~70mol%，P2O52~10mol%；所述石墨烯的含量为0.0024-0.024wt%。本发明将石墨烯引入生物活性干凝胶中，使其矿化时间从正常的7-30天缩短到0.5到5小时；所用的溶胶凝胶制备工艺可以彻底避免高温合成过程，从而满足了与药物、细胞或生长因子复合制成具有骨组织生长促进和治疗功能的生物医用修复或填充材料的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯/生物活性干凝胶及其制备工艺与应用，属于生物医用材料领域中的硬组织填充材料，主要应用于骨替代或修复领域。
背景技术
生物医用材料是一类天然或人工合成材料，可单独或与药物一起制成并用于组织或器官的治疗和修复，在体内不会对宿主引起急性或慢性危害。生物医用材料的最终目的是使其能够替代或修复人体病变的器官或组织，并使其恢复生理功能。硬组织填充材料已成为生物医用材料的一个重要的组成部分，对人体硬组织如骨、牙齿等的修复和重建起着重要作用。目前临床上用于破损骨的填充材料通常包括自体移植、同种异体移植及人工合成硬组织修复材料。其中前两者是以牺牲人体部分正常组织为代价获得，来源有限，其移植后具有一定的并发症发生。长期以来人们一直致力于研究一类新的人工合成材料，能够激发和主动诱导人体组织的自身修复与再生，从而使病变组织得以修复或替代。
生物活性玻璃，简称生物玻璃，是一种重要的人工合成硬组织替代材料。生物玻璃是通过在生物环境中与体液发生化学反应，在其界面形成多孔的SiO2凝胶层，随后生物玻璃内的Ca2+和体液中的PO4 3-向SiO2凝胶层扩散、沉积，逐渐发生矿化，进而在其表面形成羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)覆盖层，实现生物玻璃与宿骨之间的化学键性结合，这种键合非常牢固，与正常愈合的骨折界面强度等效。生物玻璃可以参与生物体正常代谢，具有骨诱导和传导能力，在体内可显示长期的结构稳定性和良好的生物相容性。
大量研究表明，矿化时间的长短直接影响到病人的病灶痊愈时间和初期痊愈效果，因此，如何缩短生物玻璃的矿化时间一直是该领域的研究热点。US4775646(Fluoride-containingBioglass compositions)通过在生物玻璃中引入F离子明显缩短了矿化时间，矿化反应1天即出现HA晶相，3天后HA晶型已较完整，并在随后的3天至14天内，HA晶相保持稳定。US6709744(Bioactive materials)以45S生物玻璃为基引入B元素(45SB5)，并证实B元素的引入可明显缩短矿化时间，在矿化反应5天时就呈现出明显的羟基磷灰石(HA)晶相XRD特征峰。US20080241248(Porous matrix)和US7709081(Porous bioactive glass and preparation methodthereof)采用多孔生物玻璃同样也达到了促进矿化的作用，在矿化反应7天后已获得晶型较完整的HA晶相。Yadong Li等人发表的论文(Early Stages of Calcium Phosphate Formation onBioactive Borosilicate Glass in Aqueous Phosphate Solution，J.Am.Ceram.Soc.，2008，91[5]1528-1533)显示，40.0B2O3-7.5SiO2-40.0CaO-8.0Na2O-2.0Al2O3-2.5P2O5生物玻璃在0.25M K2HPO4水溶液中矿化1小时即形成微量的HA晶相。但是，生物玻璃一般采用高温熔制或烧结工艺合成，无法与骨生长因子或药物等一起制成具有骨组织生长或治疗功能的生物医用填充或修复材料。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有生物玻璃作为骨修复或填充材料在植入生物体后其矿化时间较长以及生物玻璃制备需要高温过程等方面的不足，而提供一种生物活性干凝胶及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种生物活性干凝胶，其中分散有石墨烯，所述生物活性干凝胶包含如下摩尔百分含量的组分：
CaO 25～80mol％
SiO2 0～70mol％
B2O3 0～70mol％，优选为大于0且小于等于70mol％
P2O5 2～10mol％。
优选的，本发明所提供的上述生物活性干凝胶中，所述石墨烯的含量(石墨烯占所述生物活性干凝胶的重量百分含量)为0.0024-0.024wt％。
优选的，所述生物活性干凝胶中，各组分的摩尔含量为：
CaO 25～50mol％
SiO2 20～70mol％
B2O3 0～45mol％，优选为大于0且小于等于45mol％
P2O5 2～10mol％。
进一步优选的，所述生物活性干凝胶中，各组分的摩尔含量为：
CaO 30～50mol％
SiO2 20～60mol％
B2O3 5～45mol％
P2O5 2～10mol％。
本发明还进一步公开了一种通过溶胶凝胶工艺制备上述生物活性干凝胶的方法，通过生物玻璃溶胶并与石墨烯溶液混合，然后通过陈化、干燥等工艺获得矿化速率更快，无需经过高温合成过程，能够满足与药物、骨细胞或生长因子复合的，具有骨组织治疗、骨细胞快速增殖等功能的生物医用修复或填充材料。
具体的，本发明的石墨烯/生物活性干凝胶的制备方法包括如下步骤：
1)制备浓度为0.01g/L-1.0g/L的石墨烯水溶液；
2)合成溶胶：按配比将CaO的前驱物、SiO2的前驱物、B2O3的前驱物、P2O5的前驱物以及分散剂和无水乙醇于30-90℃下混合搅拌10-120分钟，然后加入去离子水搅拌均匀，调整pH值为2-9，继续搅拌直至得到清澈透明和性能稳定的溶胶；
3)在步骤2)所得的溶胶中加入分散剂，然后加入将步骤1)制备的石墨烯水溶液，获得均匀分散有石墨烯的溶胶，最后于50±1℃下陈化8-10小时，得到湿凝胶；
4)将步骤3)所得湿凝胶经90±2℃保温干燥，最终获得本发明的石墨烯/生物活性干凝胶。
本发明所述的石墨烯是指横向尺寸远远大于其厚度的片状石墨材料，是以鳞片石墨为原材料，通过各种剥离的方式获得的。剥离方式包括：化学氧化插层后剥离并还原、电化学剥离、超声剥离和球磨法剥离等，最优的剥离方法为超声直接剥离鳞片石墨，得到的石墨烯缺陷少。在最优的剥离过程中添加乙醇，可使所制备的石墨烯表面含有少量羟基；其剥离过程包括步骤：1，将鳞片石墨与乙醇水溶液混合(乙醇∶水＝1∶10；体积比)；2，将混合溶液超声震荡一段时间(超声功率为53kHz、500W，震荡时间为3-5h)；3，将超声后的溶液离心分离(离心速度为10000r/min)，取下层沉淀即可获得石墨烯。
所述石墨烯的厚度为1-20个碳原子层的总厚度，其横向尺寸为100纳米到100微米。所述的石墨烯水溶液，是将石墨烯均匀分散在水中，在制备石墨烯的过程中产生的羟基有助于石墨烯在水中的分散。
步骤2)中，所述CaO的前驱物为四水硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)；所述SiO2的前驱物为正硅酸乙酯(TEOS)；所述B2O3的前驱物为硼酸三正丁酯或硼酸；所述P2O5的前驱物为磷酸三丁酯(TBP)。
步骤2)中，所述无水乙醇的摩尔量与前驱物中各种酯的总摩尔量之比为2～8∶1～2。所述去离子水与前驱物中各种酯的总摩尔量之比为4～8∶1～2。
步骤2)和步骤3)中，所述的分散剂选自聚乙烯醇、草酸、柠檬酸、聚乙烯吡咯烷酮和十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种。所述分散剂的加入量为0.1-5wt％。
步骤3)中，通过改变所述石墨烯水溶液的浓度改变石墨烯的添加量。
本发明所提供的上述方法以溶胶凝胶工艺为基础，通过调整溶胶配方，控制溶胶的反应温度、时间和pH值，调整石墨烯添加量等手段来调控石墨烯/生物活性干凝胶的矿化速度。由于该制备工艺可以彻底取消高温合成过程，从而满足了与药物、细胞或生长因子复合制成具有骨组织生长促进和治疗功能的生物医用修复或填充材料的要求。
本发明还进一步提供了一种上述生物活性干凝胶的用途，即所述生物活性干凝胶用于制备生物体硬组织(如骨、牙齿)的修复或填充材料。优选的，即所述生物活性干凝胶用于制备人体骨修复或填充材料。
本发明的发明人还进一步发现，在上述的生物活性干凝胶中掺入B2O3后，可以有效的调控石墨烯/生物活性干凝胶的矿化速度，且反应过程更为平缓。因此，通过控制B2O3的加入量，可以人为的控制其矿化速度，使其作为一种潜在的药物缓释材料。
因此，本发明还提供了一种上述生物活性干凝胶的用途，即所述生物活性干凝胶用作药物缓释材料。
本发明的有益效果在于：本发明将石墨烯引入生物活性干凝胶中，使其矿化时间从正常的7-30天缩短到0.5到5小时；所用的制备工艺可以彻底取消高温合成过程，从而满足与药物、细胞或生长因子复合制成具有骨组织生长促进和治疗功能的生物医用修复或填充材料的要求。
附图说明
图1是实施例1所制备的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的光学照片
图2是实施例1所制备的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的SEM图片
图3是实施例1-3所制备的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的体外模拟矿化1小时后其矿化产物的失重曲线
图4是实施例1-3所制备的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的体外模拟矿化1小时后其矿化产物的XRD曲线
图5是实施例1-3所制备的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的体外模拟矿化1小时后其矿化产物的SEM图片
图6是实施例1-3所制备的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的体外模拟矿化1小时后其矿化产物红外图谱
图7是实施例1-3所制备石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的浸出液对MC3T3-E1小鼠颅顶前骨细胞在一天和三天细胞生长数目柱状图
图8是实施例1-3所制备石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的浸出液对MC3T3-E1小鼠颅顶前骨细胞在一天和三天细胞生长情况的光学照片
图9是实施例1所制备的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的拉曼图
图10是实施例4所制备石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝胶体外模拟矿化1小时其矿化产物的XRD谱图
图11是实施例4所制备石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝胶体外模拟矿化1小时其矿化产物的SEM照片
图12是实施例5所制备石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝胶的体外模拟矿化产物的失重曲线
具体实施方式
下面通过具体实施例描述，进一步阐述本发明的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅局限于实施例。
本发明的石墨烯/生物活性干凝胶对骨细胞生长的影响规律通过以下实验进行评估。将石墨烯/生物活性干凝胶与α-MEM培养基混合配制成浓度为200mg/mL的混合溶液，并在37℃条件下放置24小时后离心分离取上清液。将收集好的上清液用α-MEM培养基分别稀释成100、10和1mg/mL。并在96孔接种板上加入浓度为30000cells/mL的MC3T3-E1小鼠颅顶前骨细胞液100μL，将其培养24小时。将培养液用50μL稀释液和50μLα-MEM取代，并加入20％FBS(胎牛血清)，其中一份空白样本培养基用10％FBS但不加入稀释液。将接种版放置于37℃，5％CO2环境中培养12、24和72小时。10μL的CCK分别滴入于每个孔中，在培养约1小时后，用450nm波长的光测试其光学浓度来表征其细胞数目。研究结果表明(见图7、8)，石墨烯/生物活性干凝胶的浸出液对MC3T3-E1小鼠颅顶前骨细胞生长有较好的促进作用。
实施例1：以浓度为0.1g/L石墨烯，制备石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶。
第一步：按照制备方案中石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶计量比将四水硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)4.2g、正硅酸乙酯(TEOS)10.09ml、磷酸三丁酯(TBP)1.35ml及0.1g分散剂柠檬酸依次与11.68ml无水乙醇(其中醇∶酯＝4∶1mol/mol)在水浴温度为40℃条件下混合搅拌30分钟。搅拌30分钟后，加入事先制备好0.1g/L石墨烯水溶液1ml及去3.6ml离子水继续搅拌10分钟，用盐酸调整溶液pH值＝4。待上述步骤全部完成后磁力搅拌2小时后停止搅拌。
第二步：将制备完的溶胶置于50℃烘箱中8-10小时陈化为凝胶。待变成凝胶后将温度调至90℃保温3天获得干凝胶。
第三步：将已制备的干凝胶研磨成粉末，称1g干凝胶将其浸泡于100ml 0.25M磷酸氢二钾(K2HPO4)溶液中并置于37℃烘箱中1h，反应结束后抽滤，干燥即可。
通过上述工艺，即可得到石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶如图1、2所示，其生物活性特征如图3～图9所示。图3～图8中的0.0g/L为实例1中不加入石墨烯的结果，作为参考。
图1、2表明所制备的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶是均匀透明。
图3表明随着石墨烯添加量的增加，干凝胶的矿化速度明显变快。
图4和图6表明随着石墨烯添加量的增加，干凝胶的矿化产物HA晶相的变化情况。
图5表明随着石墨烯添加量的变化，干凝胶的矿化产物HA的典型形貌特征。
图7和图8表明石墨添加量不同的干凝胶，其浸出液对MC3T3-E1小鼠颅顶前骨细胞生长情况的影响。
图9表明石墨烯成功与生物活性干凝胶相复合。
实施例2：以浓度为0.5g/L石墨烯，制备石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶。
第一步：按照制备方案中石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶计量比将四水硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)4.2g、正硅酸乙酯(TEOS)10.09ml、磷酸三丁酯(TBP)1.35ml及0.1g分散剂柠檬酸依次与11.68ml无水乙醇(其中醇∶酯＝4∶1mol/mol)在水浴温度为40℃条件下混合搅拌30分钟。搅拌30分钟后，加入事先制备好0.5g/L石墨烯水溶液1ml及去3.6ml离子水继续搅拌10分钟，用盐酸调整溶液pH值＝4。待上述步骤全部完成后磁力搅拌2小时后停止搅拌。
第二步：将制备完的溶胶置于50℃烘箱中8-10小时陈化为凝胶。待变成凝胶后将温度调至90℃保温3天获得干凝胶。
第三步：将已制备的干凝胶研磨成粉末，称1g干凝胶将其浸泡于100ml 0.25M磷酸氢二钾(K2HPO4)溶液中并置于37℃烘箱中1h，反应结束后抽滤，干燥即可。
通过上述工艺，即可得到石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶的光学和扫描电镜照片和图1相似，其生物活性特征如图3～图8所示。图3～图8中的0.0g/L为实例1中不加入石墨烯的结果，作为参考。
实施例3：以浓度为1g/L石墨烯，制备石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶。
第一步：按照制备方案中石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶计量比将四水硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)4.2g、正硅酸乙酯(TEOS)10.09ml、磷酸三丁酯(TBP)1.35ml及0.1g分散剂柠檬酸依次与11.68ml无水乙醇(其中醇∶酯＝4∶1mol/mol)在水浴温度为40℃条件下混合搅拌30分钟。搅拌30分钟后，加入事先制备好1g/L石墨烯1ml及去3.6ml离子水继续搅拌10分钟，用盐酸调整溶液pH值＝4。待上述步骤全部完成后磁力搅拌2小时后停止搅拌。
第二步：将制备完的溶胶置于50℃烘箱中8-10小时陈化为凝胶。待变成凝胶后将温度调至90℃保温3天获得干凝胶。
第三步：将已制备的干凝胶研磨成粉末，称1g干凝胶将其浸泡于100ml 0.25M磷酸氢二钾(K2HPO4)溶液中并置于37℃烘箱中1h，反应结束后抽滤，干燥即可。
通过上述工艺，即可得到石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝胶光学和扫描电镜照片和图1相似，其生物活性特征如图2～图7所示。图2～图7中的0.0g/L为实例1中不加入石墨烯的结果，作为参考。
实施例4：以浓度为1g/L石墨烯，制备石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5
第一步：按照制备方案中石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝胶计量比将四水硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)4.2g、正硅酸乙酯(TEOS)5.18ml、硼酸三正丁酯(Tributoxyboroane)6.2ml、磷酸三丁酯(TBP)1.066ml及0.1g分散剂柠檬酸依次与11.68ml无水乙醇(其中醇∶酯＝4∶1mol/mol)在水浴温度为40℃条件下混合搅拌30分钟。搅拌30分钟后，加入事先制备好1g/L石墨烯1ml及去3.6ml离子水继续搅拌10分钟，用盐酸调整溶液pH值＝4。待上述步骤全部完成后磁力搅拌2小时后停止搅拌。
第二步：将制备完的溶胶置于50℃烘箱中8-10小时陈化为凝胶。待变成凝胶后将温度调至90℃保温3天获得干凝胶。
第三步：将已制备的干凝胶研磨成粉末，称1g干凝胶将其浸泡于100ml 0.25M磷酸氢二钾(K2HPO4)溶液中并置于37℃烘箱中1h，反应结束后抽滤，干燥即可。
通过上述工艺，即可得到石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝胶光学和扫描电镜照片和图1相似，其生物活性特征如图10和图11所示。
图10表明石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝胶在体外模拟矿化1小时其矿化产物的XRD。
图11表明石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝胶在体外模拟矿化1小时其矿化产物的SEM形貌。
实施例5：以浓度为1g/L石墨烯，制备石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5
改变四水硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)、正硅酸乙酯(TEOS)、硼酸三正丁酯(Tributoxyboroane)及磷酸三丁酯(TBP)的用量，其他均与实施例4相同，所得生物玻璃溶胶中各组分的摩尔百分含量如表1所示：
表1
| 序号 | CaO | SiO2 | B2O3 | P2O5 |
| 0.5B | 35.6mol％ | 54.9mol％ | 6.1mol％ | 3.4mol％ |
| 1B | 35.6mol％ | 40.7mol％ | 20.3mol％ | 3.4mol％ |
| 1.5B | 35.6mol％ | 30.5mol％ | 30.5mol％ | 3.4mol％ |
| 2B | 35.6mol％ | 20.3mol％ | 40.7mol％ | 3.4mol％ |
本实施例所得的各种石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝胶的光学和扫描电镜照片和图1相似，其生物活性特征与实施例4类似。
图12表明，B的加入可以有效的调控其石墨烯/生物凝胶的矿化速度，且反应过程平缓。通过不同的B量加入，可以人为的控制其矿化速度，这一特点可以使其作为一种潜在的药物缓释材料。
Claims (12)
1.一种生物活性干凝胶，其特征在于：所述生物活性干凝胶中分散有石墨烯；所述生物活性干凝胶包含如下摩尔百分含量的组分：
所述石墨烯的含量为0.0024-0.024wt％。
2.如权利要求1所述的生物活性干凝胶，其特征在于，所述生物活性干凝胶中含有如下摩尔含量的组分：
3.如权利要求1所述的生物活性干凝胶，其特征在于，所述生物活性干凝胶中含有如下摩尔含量的组分：
4.如权利要求3所述的生物活性干凝胶，其特征在于，所述生物活性干凝胶中含有如下摩尔含量的组分：
5.如权利要求1-4任一所述的生物活性干凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)制备浓度为0.01g/L-1.0g/L的石墨烯水溶液；
2)合成溶胶：按配比将CaO的前驱物、SiO2的前驱物、B2O3的前驱物、P2O5的前驱物以及分散剂和无水乙醇于30-90℃下混合均匀，然后加入去离子水搅拌均匀，调整pH值为2-9，继续搅拌直至得到清澈透明和性能稳定的溶胶；
3)在步骤2)所得的溶胶中加入分散剂，然后加入步骤1)制备的石墨烯水溶液，获得石墨烯均匀分散的溶胶，最后陈化8-10小时，得到湿凝胶；
4)将步骤3)所得湿凝胶经保温干燥，最终获得所述的生物活性干凝胶。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的厚度为1-20个碳原子层的总厚度，其横向尺寸为100纳米到100微米。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述CaO的前驱物为四水硝酸钙；所述SiO2的前驱物为正硅酸乙酯；所述B2O3的前驱物为硼酸三正丁酯或硼酸；所述P2O5的前驱物为磷酸三丁酯。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述无水乙醇的摩尔量与前驱物中各种酯的总摩尔量之比为2～8:1～2；所述去离子水与前驱物中各种酯的总摩尔量之比为4～8:1～2。
9.如权利要求5-8任一所述的制备方法，其特征在于，步骤2)和步骤3)中，所述的分散剂选自聚乙烯醇、草酸、柠檬酸、聚乙烯吡咯烷酮和十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种。
10.如权利要求1-4任一所述的生物活性干凝胶的用途，其特征在于，所述生物活性干凝胶用于制备生物体硬组织的修复或填充材料。
11.如权利要求10所述的用途，其特征在于，所述生物活性干凝胶用于制备人体骨修复或填充材料。
12.如权利要求3或4任一所述的生物活性干凝胶的用途，其特征在于，所述生物活性干凝胶用作药物缓释材料。
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2011
- 2011-12-28 CN CN201110448776.6A patent/CN103143057B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN101954118A (zh) * | 2010-10-13 | 2011-01-26 | 同济大学 | 一种用于硬组织修复的含水凝胶/纳米羟基磷灰石复合支架的制备方法 |
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| CN103143057A (zh) | 2013-06-12 |
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