CN103566411B - 一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座及其制备方法 - Google Patents
一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座及其制备方法。该义眼座具有全贯穿的多孔结构，孔隙率为60～92%，孔道孔径为100～800μm；孔道壁上的介孔生物玻璃改性层由CaO、SiO2、P2O5、CuO组成，介孔孔径为4～10nm，是将其凝胶前躯体通过灌注、酒精蒸发自组装和低温煅烧使得介孔生物玻璃均匀涂布孔道壁上；义眼座植入眼窝后组织液浸入义眼座的孔道并促使介孔生物玻璃层降解，缓慢释放的铜、硅、钙离子协同促进与新生血管密切相关的细胞迁移、长入，并实现孔道内快速血管化，从而避免义眼座移位或脱出。本发明的义眼座生物活性优良，在眼座重建中具有良好应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及医用生物材料，特别是涉及一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座及其制备方法。
背景技术
眼球摘除术是目前治疗绝对期青光眼、眼球严重破裂伤、眼内恶性肿瘤最终的手术治疗方案，但术后眼球缺失所致的上睑塌陷、眼睑睁闭不能和眼窝凹陷，给患者带来沉重的精神和心理负担。选择行义眼座植入手术弥补眶内容物缺失并配戴合适的义眼片,是修复眼球缺失、恢复面部外观较为理想的治疗方案。目前，临床使用的眼座主要为分为两类，一类是以硅胶为代表的实心球体，另一类是以珊瑚羟基磷灰石(cHA)为代表的多孔义眼座(Perry, 美国专利. No. 4976731)。第一类硅胶义眼座植入眼窝后在球体周围形成纤维膜包裹，眼座在眼窝肌锥内容易移位，而引起上框凹陷，下睑松弛，义眼片配制困难等问题，同时免疫排斥反应难以避免，导致植入物挤出。第二类cHA义眼座具有多孔性结构，如果新生血管及纤维***长入其多孔孔道，则有利于该类义眼座在眼窝内固定，同时完全血管化后增加了义眼座抗感染和自我修复能力。虽然cHA具有良好的生物相容性，但是珊瑚来源有限，并严重破坏自然生态，其孔径尺度不能再调控，该类义眼座价格也极为高昂。一旦血管化延迟就可能会引起cHA义眼座暴露。此外，多孔性义眼座一旦暴露感染，术后施加的抗菌药物很难有效渗透到细微孔道中，使得控制感染的难度大大增加，将被迫再取出植入物，进一步增加患者的痛苦和经济负担。
一般情况下，义眼座植入眼眶后新生血管及纤维***沿微孔缓慢从外周向中央生长，此过程即为眼座血管化；Bdolah发现，血管再生是在原有的毛细血管上通过血管内皮细胞的增殖和迁移，从先前存在的血管处以芽生或非芽生的形式，在各种细胞因子、细胞外基质(ECM)及蛋白水解酶调节下生成新生血管(Bdolah Y, et al. Semin Nephrol 2004; 24 : 548–556)。在血管形成过程中，血浆内的一系列蛋白和因子如纤维连接蛋白(Fibronectin, FN)、血管内皮细胞生长因子(Vascular endothelial growth factor, VEGF) 、碱性成纤维细胞生长因子 (Basic fibroblast growth factor, bFGF) 等吸附发挥重要调节作用。长期以来，cHA 义眼座血管化的研究多见于进行表面修饰促血管生长的因子，达到植入物快速血管化的目的。Bigham等发现将cHA义眼座经bFGF修饰后完全纤维血管化时间大大缩短(Bigham WJ, et al. Ophthalmic Plast Reconstr Surg 1999; 15 : 317–325)。张虹等的研究显示10~100 ng/mL VEGF 引入cHA眼座内能促进新生血管长入(Hong Zhang, et al. J Huazhong Univer Sci Techn 2004; 24 : 286–288)。但是，生长因子等对所处环境尤为敏感，同时半衰期短、消毒运输条件严苛、价格昂贵。
介孔生物活性玻璃(MBG)，作为一种生物活性材料，近年来引起了极大的关注。介孔生物活性玻璃较非介孔型生物活性玻璃(NBG)一个显着的特点在于：它具有高比表面积和纳米孔体积，具有更为优良的类骨磷灰石沉积矿化的能力。复旦大学赵东元教授和中科院上硅所吴成铁博士等研究表明，CaO-P2O5 -SiO2系MBG 较NBG 具有更高的体内外生物活性、降解性和载药率(Xiaoxia Yan, et al. Biomaterials 2006; 27 : 3396–3403; Chengtie Wu, et al. Biomaterials 2009; 30 : 2199–2208)，预示着MBG 在组织工程和载药缓释中显出巨大潜力。
铜是人体必需微量元素之一，是机体内蛋白质和酶的重要组成部分，如铜蓝蛋白、细胞色素、C氧化酶等，参与多种关键酶活化，在人体的新陈代谢过程中起着重要的作用。研究显示铜能有效刺激血管内皮细胞迁移和促进相关血管生成因子释放(Sen CK, et al. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2002; 282 : H1821–1827.)，促进新生血管生成(Barralet J, et al. Tissue Eng Part A 2009; 15: 1601–1609)。因此，掺铜生物活性材料的研究在促进血管化及创面愈合中显示出良好的发展前景。
发明内容
为了克服背景技术中硅胶、单纯磷灰石生物陶瓷等义眼座中存在的问题，本发明的目的在于提供一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座及其制备方法，是不依赖于生长因子、而是经介孔生物活性玻璃修饰改性nHA多孔陶瓷球的义眼座，能有效促进新血管内生长和快速纤维血管化。
本发明采用的技术方案是：
一、一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座：
本发明是一种由介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座，义眼座的形状为圆球形，直径为12～24 mm，义眼座内部具有相互贯穿的多孔网络结构，孔隙率为60%～92%，孔道孔径在100～800 μm，孔道壁上介孔生物玻璃的介孔孔径为4～10 nm。
所述的多孔陶瓷球是由颗粒度为20～500 nm的羟基磷灰石构成；所述的介孔生物玻璃成分为SiO2-CaO-P2O5-CuO。
所述的介孔生物玻璃中硅与磷的摩尔数之和为90%，钙与铜的摩尔数之和为10%。
二、一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座的制备方法，包括以下步骤：
1)将钙盐水溶液滴加到机械搅拌的磷酸盐水溶液中，同时用氨水控制溶液的pH为10.0～10.8，所述两种溶液中钙离子和磷酸根的摩尔比为10:6，滴加完毕后再持续搅拌6～24小时，将白色沉淀过滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤2～3次，干燥后经900oC煅烧2～5小时，得到纳米羟基磷灰石粉体；用质量比为3%的聚乙烯醇（PVA）水溶液调制成质量比为12%的纳米羟基磷灰石粉体浆料，备用；
2)以直径为100～800 μm的单分散石蜡微球为造孔剂，在球形过滤漏斗内堆积形成多孔球形模板，在37～45oC下静置2～8分钟，相邻微球颗粒之间形成粘结，将步骤1)合成的纳米羟基磷灰石粉体浆料滴加到所述模板内，并通过负压抽滤将纳米羟基磷灰石粉体浆料填充到所述模板的孔隙内，干燥后，在1150～1250oC下煅烧2～4小时，得到孔道完全贯通的纳米羟基磷灰石多孔陶瓷球义眼座；
3) 将正硅酸乙酯、钙盐、磷酸盐、铜盐依次溶解于水-乙醇混合介质中，其中硅、钙、磷、铜的摩尔比为80:(10-X):10:X，0＜X≤5，再加入介孔模板剂，模板剂按照与钙盐、磷酸盐、正硅酸乙酯、铜盐总量的重量比1:2~4 添加；常温下搅拌12~48小时，混合溶液转化为凝胶，将步骤2)制备的纳米羟基磷灰石多孔陶瓷球义眼座放置入该凝胶中，负压抽吸浸渍，并在静置10～60分钟后取出多孔陶瓷球义眼座，再用真空抽滤2~10分钟吸出孔道内多余凝胶，在纳米羟基磷灰石多孔陶瓷义眼座的孔道壁表面形成一层均匀的介孔生物玻璃前驱体，常温干燥后650~850℃煅烧 5~8小时，自然冷却后得到介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座。
所述的钙盐是硝酸钙、乙酸钙或两者的任意组合；所述的磷酸盐是磷酸三乙酯、磷酸铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵或者几者任意的组合；所述的铜盐是乙酸铜、硝酸铜或两者的任意组合。
所述的介孔模板剂为EO20PO70EO20、EO106PO70EO106 或EO39BO47EO39的非极性的三嵌段共聚体模板剂，其中EO 表示聚环氧乙烷，PO 表示聚环氧丙烷，BO 表示聚丁烯氧化。
所述的孔道壁上的介孔生物玻璃中硅与磷的摩尔数之和为90%，钙与铜的摩尔数之和为10%。
本发明具有的有益效果是：
1）在组成上，以经高温煅烧处理的nHA多孔陶瓷球为主体，有利于义眼座在眼窝内保持长期稳定的体积，以掺铜介孔生物活性玻璃(Cu-MBG)作为nHA多孔陶瓷球孔道壁的修饰改性物质，具有优异的生物活性和促进血管化特性，并且成本显著低于用生长因子修饰的义眼座。
2）在微结构上，以微球紧密堆积体为模板并经低热处理，有利于调节义眼座多孔孔道及其贯通孔的孔径，微球紧密堆积体模板去除后形成的相互贯通的多孔网络，有利于细胞迁移、血管内生长；按具有规则形态的有机微球颗粒为造孔剂设计的多孔性义眼座，可避免不规则尖锐棱角损伤造成强烈的急性或者慢性炎症反应。
3）在生物学效应上，以具有显著促进血管化的介孔生物活性玻璃修饰改性义眼座的孔道壁，有利于实现快速血管化并且材料整体上极为稳定，符合理想义眼座的生物学效应需求。同时，介孔生物活性玻璃的介孔内还可以预装抗炎性药物以进一步增加义眼座抗炎抗感染能力，进一步避免义眼座暴露等并发症。
4）在可操作性上，制备中可直接形成球形材料，可以减少切割加工等处理，方便直接用于填充眼球摘除术后患者。
附图说明
图1是本发明的介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座示意图。
图2是扫描电镜拍摄的本发明实施例3制备的样本放大50倍的显微形貌图。
图3是扫描电镜拍摄的本发明实施例3制备的样本放大1000倍的显微形貌图。可见贯通孔孔壁上的介孔生物玻璃。
图4是实施例4 所述义眼座断面的EDX能谱图。
图5是实施例2、3、4所述义眼座以及单纯羟基磷灰石义眼座(HA)放入细胞培养液（a-MEM）中浸泡48小时过程中硅的释放浓度变化图。
图6是实施例2、3、4所述义眼座以及单纯羟基磷灰石义眼座(HA)放入细胞培养液（a-MEM）中浸泡48小时过程中铜的释放浓度变化图。
图7是实施例2、3、4所述义眼座以及单纯羟基磷灰石义眼座(HA)放入细胞培养液（a-MEM）中浸泡48小时过程中钙的释放浓度变化图。
图8是实施例2、3、4所述义眼座以及单纯羟基磷灰石义眼座(HA)放入细胞培养液（a-MEM）中浸泡48小时过程中磷的释放浓度变化图。
图9是实施例1 所述义眼座植入SD大鼠背部深筋膜，包埋3周后义眼座表面血管生成情况。
图中：1、多孔孔道，2、贯通孔，3、孔道壁上的介孔生物玻璃。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对做本发明进一步说明。
如图1所示，本发明是一种由介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座，义眼座的形状为圆球形，直径为12～24mm，义眼座内部具有相互贯穿的多孔网络结构，孔隙率为60%～92%，孔道孔径在100～800 μm，孔道壁上介孔生物玻璃的介孔孔径为4～10 nm。
所述的多孔陶瓷球是由颗粒度为20～500 nm的羟基磷灰石构成；所述的介孔生物玻璃成分为SiO2-CaO-P2O5-CuO。
所述的介孔生物玻璃中硅与磷的摩尔数之和为90%，钙与铜的摩尔数之和为10%。
实施例1：
1)将0.3 mol/L硝酸钙水溶液缓慢滴加到机械搅拌的等体积0.18 mol/L磷酸铵水溶液中，用氨水将磷酸铵溶液的pH稳定在10.5，滴加完毕后再持续搅拌12小时，将反应沉淀过滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤2次，干燥，经900oC煅烧处理2小时，得到粒度在20～500 nm的nHA粉体。
2)以直径为500 μm的单分散石蜡微球为造孔剂，在内直径为12mm的球形过滤漏斗内紧密堆积形成多孔模板，在40oC下静置2分钟后冷却至室温，再将步骤1)合成的nHA用质量比为3%的PVA水溶液制成固化物质量比为12%的浆料并滴加到以上多孔模板内，通过负压抽滤将nHA浆料完全紧密填充到多孔模板的孔隙内，常温干燥后，1250oC煅烧处理4小时，从而得到孔道直径在470μm左右的nHA多孔陶瓷球体。
3) 将正硅酸乙酯、乙酸钙、磷酸三乙酯、硝酸铜按其硅、钙、磷、铜的摩尔比为80:8:10:2，依次溶解于6倍于以上溶质总重量的95%乙醇-水混合溶液中，模板剂EO20PO70EO20添加量以前述溶质总重量的 1/2 加入，在常温条件下搅拌12小时。将步骤2)制备的nHA多孔陶瓷球置入该凝胶中，负压抽吸浸渍，并静置15分钟后取出nHA多孔球体，再真空抽滤5分钟吸出孔道内多余凝胶，常温干燥后将该多孔球体置入马弗炉中并以0.5oC/分钟从室温升至650oC，保温5小时后自然冷却，从而得到介孔生物玻璃改性的nHA多孔陶瓷球义眼座（图2，图3）。
实施例2：
制备方法同实施例1，区别在于：将步骤3)中的乙酸钙替换为硝酸钙，硅、钙、磷、铜的摩尔比改为80:10:10:0；将步骤2)制备的nHA多孔陶瓷球置入该凝胶中，负压抽吸浸渍，并静置15分钟后取出nHA多孔球体，真空抽滤5分钟吸出孔道内多余凝胶，常温干燥。此过程重复2 次，用以获得较厚的介孔生物玻璃涂层；所得的是不含铜介孔生物玻璃改性多孔陶瓷球义眼座（对照组），记为0Cu-MBG-HA。
实施例3：
制备方法同实施例1，区别在于：将步骤2)制备的nHA多孔陶瓷球置入该凝胶中，负压抽吸浸渍，并静置15分钟后取出nHA多孔球体，真空抽滤5分钟吸出孔道内多余凝胶，常温干燥。此过程重复2次，用以获得较厚的介孔生物玻璃涂层，图2显示本实施例的放大50倍的显微形貌图，1为多孔孔道，2为贯通孔；图3中3为义眼座孔道壁上的介孔生物玻璃。所得义眼座记为2Cu- MBG-HA。
实施例4：
制备方法同实施例2，区别在于：将步骤3)中的硅、钙、磷、铜的摩尔比改为80:5:10:5，以获得含铜量较高的介孔生物玻璃涂层（图4）。所得义眼座记为5Cu-MBG-HA。
实施例5：
将实施例2（对照组）、实施例3、实施例4 所得义眼座分别放入20ml细胞培养液（a-MEM）中，37℃条件下，用ICP检测0-48小时内硅、铜、钙和磷的放情况，并与同条件制备的未进行介孔生物玻璃改性的义眼座（HA）和不掺铜介孔生物玻璃改性的义眼座（0Cu-MBG-HA）对比。HA代表未进行介孔生物玻璃改性的义眼座；0Cu-MBG-HA代表实施例2（对照组）；2Cu-MBG-HA代表实施例3；5Cu-MBG-HA代表实施例4。结果显示，在a-MEM中，硅,铜的浓度随着时间的增加而增加（图5，图6），而钙和磷的浓度随着时间的增加而减少（图7，图8）。
实施例6：
制备方法同实施例1，区别在于：将步骤2) 造孔剂改为直径200 μm的单分散石蜡微球，40oC下静置2分钟改为38oC下静置8分钟，通过改变造孔剂大小、静置温度和放置时间，调控多孔义眼座内孔道孔径大小和贯通孔大小及通孔率。将步骤3）中的烧结温度改为850oC，保温2小时。
实施例7：
取雄性SD大鼠，重约260 g；按10%水合氯醛0.3 ml/100 g的用量实施腹腔麻醉后，背部备皮，常规消毒铺单。取背部正中纵行切口，长约3 cm，游离皮下，显露腰背筋膜，在离正中线约0.5 cm处纵向切开腰背筋膜，深至肌层表面，切开约长2.5 cm，切口外侧腰背筋膜与肌层表面之间做钝性分离，形成一个袋装结构，将实施例1制备的义眼座灭菌后植入该袋装结构中。缝合腰背筋膜切口。仔细止血，清洗伤口后逐层关闭创口，缝合皮肤。术后青霉素40万单位肌肉注射。正常喂食。3周后处死大鼠，观察义眼座与周围组织情况。发现义眼座周围组织和血管长入孔道中，无纤维包膜和炎症反应；筋膜面可见清晰的血管长入情况（图9）。
上述具体实施例用来解释说明本发明，但不应理解为对本发明的限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座的制备方法，该义眼座是一种由介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座，义眼座的形状为圆球形，直径为12～24 mm，义眼座内部具有相互贯穿的多孔网络结构，孔隙率为60%～92%，孔道孔径在100～800 μm，孔道壁上介孔生物玻璃的介孔孔径为4～10 nm；所述的多孔陶瓷球是由颗粒度为20～500 nm的羟基磷灰石构成；所述的介孔生物玻璃成分为SiO2-CaO-P2O5-CuO；其特征在于，多孔陶瓷球义眼座的制备方法包括以下步骤：
1)将钙盐水溶液滴加到机械搅拌的磷酸盐水溶液中，同时用氨水控制溶液的pH为10.0～10.8，所述两种溶液中钙离子和磷酸根的摩尔比为10:6，滴加完毕后再持续搅拌6～24小时，将白色沉淀过滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤2～3次，干燥后经900oC煅烧2～5小时，得到纳米羟基磷灰石粉体；用质量比为3%的聚乙烯醇水溶液调制成质量比为12%的纳米羟基磷灰石粉体浆料，备用；
2)以直径为100～800 μm的单分散石蜡微球为造孔剂，在球形过滤漏斗内堆积形成多孔球形模板，在37～45oC下静置2～8分钟，相邻微球颗粒之间形成粘结，将步骤1)合成的纳米羟基磷灰石粉体浆料滴加到所述模板内，并通过负压抽滤将纳米羟基磷灰石粉体浆料填充到所述模板的孔隙内，干燥后，在1150～1250oC下煅烧2～4小时，得到孔道完全贯通的纳米羟基磷灰石多孔陶瓷球义眼座；
3) 将正硅酸乙酯、钙盐、磷酸盐、铜盐依次溶解于水-乙醇混合介质中，其中硅、钙、磷、铜的摩尔比为80:(10-X):10:X，0＜X≤5，再加入介孔模板剂，模板剂按照与钙盐、磷酸盐、正硅酸乙酯、铜盐总量的质量比1:2~4 添加；常温下搅拌12~48小时，混合溶液转化为凝胶，将步骤2)制备的纳米羟基磷灰石多孔陶瓷球义眼座放置入该凝胶中，负压抽吸浸渍，并在静置10～60分钟后取出多孔陶瓷球义眼座，再用真空抽滤2~10分钟吸出孔道内多余凝胶，在纳米羟基磷灰石多孔陶瓷义眼座的孔道壁表面形成一层均匀的介孔生物玻璃前驱体，常温干燥后650~850℃煅烧 5~8小时，自然冷却后得到介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座。
2.根据权利要求1所述的一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座的制备方法，其特征在于：所述的钙盐是硝酸钙、乙酸钙或者两者的任意组合；所述的磷酸盐是磷酸三乙酯、磷酸铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵或者几者任意的组合；所述的铜盐是乙酸铜、硝酸铜或者两者的任意组合。
3.根据权利要求1所述的一种介孔生物玻璃改性的多孔陶瓷球义眼座的制备方法，其特征在于：所述的介孔模板剂为EO20PO70EO20，EO106PO70EO106 或EO39BO47EO39的非极性的三嵌段共聚体模板剂，其中EO 表示聚环氧乙烷，PO 表示聚环氧丙烷，BO 表示聚氧化丁烯。
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Granted publication date: 20150114 Termination date: 20161111 |