一种粗糙表面微纳米生物活性玻璃微球的制备研究

＊李正茂 张嘉芬 苗国厚

（广州医科大学附属口腔医院·广东省口腔组织修复与重建工程技术研究中心·广州市口腔再生医学基础与应用研究重点实验室 广东 510182）

引言

生物活性玻璃（Bioactive Glasses，BG）自发明以来，因其良好的生物相容性和促进组织修复性能，在临床和研究领域都得到广泛应用[1-2]。随着科技的发展，生物活性玻璃先后经历三次制备技术的更新，从20世纪70年代Hench教授发明的熔融法生物活性玻璃[3-4]，到90年代出现的溶胶-凝胶法生物活性玻璃[5]，再到近年来的微纳米生物活性玻璃（MNBG），其中MNBG具有更大的比表面积，能够更快的释放钙、硅离子，因此具有更高的生物活性[6]。由于颗粒尺寸小，微纳米生物材料易被胞吞至细胞内部而发挥生物学特性。Zhou等通过设计一种多功能介孔二氧化硅纳米载体用于双重递送成骨基因和促进成骨分化的药物来增强干细胞成骨作用[7-8]。研究发现MNBG微球在软硬组织修复方面具有良好的促进作用[9-10]，王丽艳等发现纳米生物活性玻璃微球材料可有效地引导牙周病致牙槽骨垂直吸收缺损部位的牙槽骨再生[11]。张文发现锶掺杂微纳米生物活性玻璃能够通过NFATc信号通路以及Wnt/β-catenin信号通路的协同作用促进成骨分化作用[12]。

目前研究较多的是光滑表面生物活性玻璃微球的制备及其生物学性能研究[13-14]。本文在光滑表面MNBG微球基础 上[15-16]，通过优化制备工艺参数，制备出一种针片状粗糙表面微纳米生物活性玻璃（MNBGr）微球，并对其进行了一系列物化性能表征测试。

1.材料与方法

(1)实验试剂

正硅酸乙酯（TEOS）、四水合硝酸钙（CN）和无水乙醇均购自广州市金华大化学试剂有限公司（分析纯）；氨水购自天津市大茂化学试剂厂（分析纯）；去离子水为实验室自制。

(2)MNBG微球的制备

先将无水乙醇、去离子水和氨水加入100ml烧杯中，放置于磁力搅拌器上，搅拌30min后至透明溶液A，搅拌速度为600rpm；再将无水乙醇和TEOS依次加入100ml烧杯中，放置于磁力搅拌器上，搅拌30min后至透明溶液B，搅拌速度为600rpm；然后，将溶液A快速加入溶液B中，形成悬浮液C，搅拌速度1000rpm，持续搅拌30min；接着，将悬浮液C中加入CN后持续搅拌1h，无水乙醇洗涤三次，冷冻干燥；最后，650℃热处理1h，即得MNBG微球。

(3)MNBGr微球的制备

先将无水乙醇、去离子水和氨水加入100ml烧杯中，放置于磁力搅拌器上，搅拌30min后至透明溶液A，搅拌速度为600rpm；再将无水乙醇和TEOS依次加入100ml烧杯中，放置于磁力搅拌器上，搅拌30min后至透明溶液B，搅拌速度为600rpm；然后，将溶液A快速加入溶液B中，形成悬浮液C，搅拌速度1000rpm，持续搅拌1h；接着，将悬浮液C中加入CN后持续搅拌1h，超声20min，静置陈化1d，无水乙醇洗涤3次，冷冻干燥；最后，650℃热处理1h，即得MNBGr微球。

(4)表征测试

样品的表面形貌采用场发射扫描电子显微镜（FESEM，Merlin，Zeiss，Germany）在5kV加速电压条件下进行观察。微纳米生物活性玻璃的物相组成通过X射线衍射仪（XRD，Empyrean，PANalytical，Netherlands）在CuKα辐射（λ=0.154nm）条件下测定，样品的粒径大小和表面Zeta电位通过纳米粒度电位仪（Zetasizer，Nano ZS，Malvern，UK）测定。

2.结果与讨论

MNBG和MNBGr微球的FESEM显微形貌表征结果见图1所示。从图中可以看出MNBG微球颗粒呈表面光滑、粒径均一的球形。MNBGr微球颗粒则呈现表面粗糙的球形，经显微放大观察，发现其表面被针片状结构所覆盖，这一结果可能是由于制备过程中的参数变化导致的，具体包括反应体系中pH值以及反应结束后的超声处理时间和陈化时间不同等因素。同MNBG微球相比，MNBGr微球由于表面被针片状结构覆盖导致了颗粒尺寸出现一定程度的增加。

图1 MNBG和MNBGr微球的FESEM显微照片

X射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质(晶体或非晶体)进行衍射分析时,该物质被X射线照射会产生不同程度的衍射现象。MNBG和MNBGr微球样本的粉末XRD衍射谱图结果见图2所示。从图中可以看出，MNBG样品组呈现典型的非晶态“馒头峰”，说明MNBG微球为玻璃相结构[17]。MNBGr组衍射峰的非晶态“馒头峰”形态未见明显改变，这一结果表明我们制备的这一针片状表面微纳米生物活性玻璃微球没有因为显微形貌的变化而引起其玻璃相结构的改变。

图2 MNBG和MNBGr微球的XRD衍射谱图

MNBG和MNBGr微球的粒度分布和Zeta电位值结果见图3。从图中可以看出，MNBG微球的颗粒直径范围在387.2±6.3nm，Zeta电位值在-18.5±0.7mV。MNBGr微球的颗粒直径范围在572.6±76.9nm，Zeta电位值在-16.9±0.4mV。随着针片状结构在微球表面的覆盖，MNBGr组相比MNBG组粒径有所增大，同时，覆盖量的不同也导致了MNBGr微球粒径大小有范围的波动，同时，粒径的增大也导致了微球表面电荷Zeta电位绝对值的下降[18-19]。

图3 MNBG和MNBGr微球的粒度分布和Zeta电位值

悬浮液中粒子具有较大的Zeta电位绝对值（较大的正或负值），他们将倾向于互相排斥，没有絮凝的倾向。但是如果粒子的Zeta电位绝对值较小，则表面电荷斥力不能阻止粒子接近而会产生絮凝[20]。稳定与不稳定悬浮液的Zeta电位分界线一般认为是±30mV。Zeta电位大于+30mV正电或小于-30mV负电的粒子，通常认为在悬浮液中是稳定分散的。因此，粒径的增大降低了MNBGr微球在溶液中的分散稳定性[21]。

3.结论

近年来，微纳米生物活性玻璃进入人们视野，它们非常适合将治疗性分子传递到细胞中。细胞胞吞是微纳米颗粒在生物医学方面进一步应用，胞吞效率取决于表面电荷和颗粒的尺寸大小、形状以及表面化学性质。前期研究发现，微纳米生物活性玻璃微球易被巨噬细胞胞吞至胞质中，进而发挥其细胞生物学特性，起到显著下调促炎相关因子表达的作用[15]。

本文在前期研究基础上，通过改性Stober法成功制备出一种粗糙表面结构微纳米生物活性玻璃微球，该粗糙表面呈针片状堆积结构，微球颗粒直径大小在570nm左右。这一针片状表面微纳米生物活性玻璃微球将有望应用于软硬组织再生修复领域。