專利名稱：一種具有生物活性的硼酸鹽玻璃抗菌涂層的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有生物活性的硼酸鹽玻璃抗菌涂 層的制備方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
鈦合金(Ti6A14V)由于其優(yōu)良的力學(xué)性能和生物相容性，被廣泛的用作承重植入 材料，例如接骨板。此類材料的缺點是與人體骨沒有直接的鍵合，而且由于釩元素的存在， 使得具有一定的毒性。同時，以接骨板為例，目前治療骨折的主要方法就是植入接骨板從而 進行骨折內(nèi)固定術(shù)。然而，骨折內(nèi)固定術(shù)存在大量術(shù)后感染的情況，根據(jù)文獻報道，其感染 率約為5% 20%。其中釘?shù)栏腥靖鼤斐陕葆斔蓜拥葒乐氐暮蠊?，給病患帶來巨大痛苦?？梢?，以目前的接骨板為例，很多種類的植入器材是存在明顯的缺陷的。它們通常 不具有抗菌性，不能完全適應(yīng)手術(shù)的要求，人們迫切需要對其改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在克服上述不足，提供一種能具有生物活性及抗菌性能的硼酸鹽玻 璃涂層的制備方法。本發(fā)明提出的具有生物活性及抗菌性能的硼酸鹽玻璃涂層的制備方法，具體步驟 如下(1)向硼酸鹽玻璃中加入含有滅菌離子的鹽類，研磨混合均勻之后，采用高溫熔融 法制得玻璃塊；將所得含有滅菌離子的玻璃塊粉碎篩分得到粒徑均一、平均粒徑小于50um 的玻璃粉；所述滅菌離子為重金屬離子，為銀離子、鋅離子或銅離子中任一種；滅菌離子的 加入量為硼酸鹽玻璃質(zhì)量的0. Iwt % -15wt% ；所述硼酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體為B2O3，不含或 少量含SiO2/或含P2O5,其中B2O3含量大于Si02/P205含量，網(wǎng)絡(luò)形成體的總分子比例為30 90mol % ；網(wǎng)絡(luò)外體含有CaO，并還含有Na20、K2O堿金屬氧化物以及MgO，SrO堿土金屬氧化 物；網(wǎng)絡(luò)外體離子氧化物的總分子比例為5 80mol% ；其中CaO和SrO的分子比例各為 5 60mol% ；(2)通過超聲振蕩將步驟(1)所得玻璃粉均勻分散在溶劑中，然后隨著溶劑的揮 發(fā)，玻璃粉便沉積在植入器材表面；或采用噴涂法，將含有玻璃粉的粘結(jié)劑噴涂在植入器材 表面；或采用提拉法，將含有玻璃粉的粘結(jié)劑粘附在植入器材表面；(3)將步驟(2)已經(jīng)沉積了玻璃粉末或黏附了玻璃粉末的植入器材放進馬弗爐 中，在350-400°C溫度下燒燼粘結(jié)劑，在600 1000°C下保溫2-30min，即得所需抗菌涂層。利用本發(fā)明方法得到具有生物活性及抗菌性能的硼酸鹽玻璃涂層在骨修復(fù)植入 體上的應(yīng)用。利用本發(fā)明方法得到具有生物活性及抗菌性能的硼酸鹽玻璃涂層在刺激骨細胞 生長上的應(yīng)用。
利用本發(fā)明方法得到具有生物活性及抗菌性能的硼酸鹽玻璃涂層在動物體內(nèi)的應(yīng)用。本發(fā)明于可以通過玻璃粉的用量來調(diào)節(jié)所得涂層的厚度，從而調(diào)節(jié)涂層中滅菌離 子的含量。通過熱處理的溫度及時間來調(diào)節(jié)所得涂層與植入器材的結(jié)合強度。通過滅菌離 子的摻入量或玻璃載體的組成來調(diào)節(jié)所得涂層中滅菌離子的釋放速度，從而調(diào)節(jié)的涂層的 生物活性及抗菌效果。通過玻璃粉的組成，各種氧化物的比例能調(diào)節(jié)玻璃涂層的生物活性 和生物降解性，以及對骨細胞生長的刺激作用。本發(fā)明采用離子滅菌的方法，結(jié)合了傳統(tǒng)植入器材優(yōu)良的力學(xué)性能和硼酸鹽玻璃 良好的生物活性和特殊結(jié)構(gòu)，以及滅菌離子，例如銀離子，其抗菌效率高、對人體危害小、抗 菌譜廣的優(yōu)點，工藝設(shè)備簡單，容易操作，成本低廉，能有效減少手術(shù)中由細菌引起的病癥， 同時應(yīng)用于骨修復(fù)植入體上，有明顯的刺激骨細胞生長作用。


圖1.含銀硼酸鹽玻璃涂層的接骨板的細胞相容性測試，通過MTT比色法測量其對 成骨細胞影響的結(jié)果，說明玻璃涂層具有良好的生物相容性。圖2含銀硼酸鹽玻璃涂層的接骨板的細胞刺激骨細胞生長的測試，通過堿性磷酸 酶(ALP)法測其細胞增殖數(shù)量，說明玻璃涂層具有優(yōu)異的生物活性，能刺激骨細胞生長。圖3含銀硼酸鹽玻璃涂層的接骨板埋入兔子脛骨附近10周后，接骨板表面形成物 的物相分析，提示表明在接骨板上已形成了骨組織的無機礦物組成，羥基磷灰石。說明該接 骨板具有刺激骨細胞生長的功能。
具體實施例方式下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。實施例1含銀硼酸鹽玻璃涂層的制備(一)含銀量1.0%的硼酸鹽玻璃的制備分別稱取2. 926g無水碳酸鈉，7. 107g無水碳酸鉀，4. 995g堿式碳酸鎂，10. 294g碳 酸鈣，5. 694g碳酸鍶，6. 951g 二氧化硅，29. 473g硼酸，3. 419g磷酸二氫鈉，0. 529g磷酸銀。 研磨后，充分混合，得到原始配料。將配料裝入鉬金坩堝后，放入1150°C中保溫120min，然后將所得的澄清玻璃液倒 在已預(yù)熱的鋼板上得到玻璃塊。將玻璃塊粉碎篩分，得到平均粒徑在2-50um左右的玻璃顆粒。( 二)涂層的制備采用下述方法中任一種(1)把步驟(一)中所得的玻璃顆粒洗凈干燥之后，稱取0. 15g裝入IOOml小燒杯中。將同樣洗凈的接骨板放在燒杯底部，然后量取IOml無水乙醇倒入小燒杯中。通過超聲振蕩15min使得玻璃粉均勻得分散在乙醇中，然后將燒杯放入80°C烘箱 中過夜干燥，得到表面均勻沉淀了一層玻璃粉的接骨板。將上述接骨板放入600°C馬弗爐中，保溫20min中后取出，得到分布均勻的玻璃涂層。
(2)將步驟(一)中所得的玻璃顆粒洗凈干燥后，稱取4. Og裝入IOOml小燒杯中。 量取20ml乙醇，稱取1. 2g乙基纖維素。攪拌均勻后一起倒入球磨罐中球磨30min，制成漿 料。然后將洗凈的接骨板浸漬在漿料中，以lcm/min的速度從漿料中提拉出來，風(fēng)干 之后，得到表面均勻黏附了一層玻璃粉的接骨板。將上述接骨板放入馬弗爐中，以2. 5°C /min的速率隨爐升溫至460°C，保溫lh，然 后以10°C /min速率升溫至660°C，保溫15min，從爐中取出，得到分布均勻的玻璃涂層。(3)將步驟(一)中所得的玻璃顆粒洗凈干燥后備用。將乙醇與水按照1 3的 比例混合，然后按照0. lg/ml的比例將玻璃粉加入溶液中，一同放入霧化箱中進行霧化，隨 后由載氣攜帶經(jīng)過噴頭均勻地噴到接骨板表面，風(fēng)干之后，得到表面均勻沉積了一層玻璃 粉的接骨板。將上述接骨板放入600°C馬弗爐中，保溫20min中后取出，得到分布均勻的玻璃涂層。實施例2 含銀硼酸鹽玻璃涂層的涂層的抗菌性能按照實施例1方法，在玻璃在配方中，分別加入0. 265g，0. 529g，0. 794g，1. 058g的 磷酸銀，分別制得含有AgO為0. 5，1. 0，1. 5和2. Owt %的四種玻璃塊，按照實施例2方法獲 得四種玻璃涂層塊的浸提液。另置大腸桿菌ATCC259，金黃色葡萄球菌ATCC25923于試驗前 轉(zhuǎn)種于血瓊脂平板上，35°C孵育18h，然后在血平板上分別挑取大腸桿菌和金黃色葡萄球菌 2 3個菌落于肉湯，35°C卵育2h。用微量加樣器取一定量的菌液依次加入由低濃度到高 濃度排列的浸提液中，結(jié)果觀察，無肉眼可見生長的最低浸提液濃度為其對該菌的抑菌性 能(MIC)。將按一定比例稀釋的一定量的菌液接種于2個血平板上，涂布35°C孵育18h。計 算血平板上的菌落個數(shù)，取平均數(shù)計算最初接種菌量。菌落個數(shù)低于最初接種菌量的0. 1% 的最低浸提液濃度為其對該菌的殺(滅)菌能力(MBC)。結(jié)果顯示，抗菌硼酸鹽玻璃涂層的抑菌性能要比基礎(chǔ)玻璃滅菌能力強，不摻銀或 含銀量較少基本上沒有抗菌能力。含銀量2%的涂層對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌 和殺菌效果都比較好，含銀量和0. 75%的涂層對大腸桿菌的抑菌效果比較明顯，但對 金黃色葡萄球菌的殺滅效果就差一些(見表1)。隨著銀含量的增加，滅菌效果顯著增加。表1銀含量為1. 5wt%時的滅菌效果對比 實施例3 含銅及含鋅硼酸鹽玻璃涂層的抑菌性能
按照實施例1所述的方法，在玻璃配方中，將磷酸銀換成硫酸銅，分別添加 6. 818g，13. 636g，20. 454g CuS04,分別制得三種銅含量不同的硼酸鹽玻璃，并進而制得銅 離子質(zhì)量百分比為5%，10%，15%的含銅硼酸鹽玻璃涂層。用同樣方法，在玻璃配合料中分 別添加氧化鋅2. 172g，4. 344g，6.516g，用同樣的方法制得三種鋅離子質(zhì)量百分比為5%， 10%,15%的含鋅硼酸鹽玻璃涂層。采用無菌培養(yǎng)皿中加入已滅菌的普通營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，使之覆蓋整個培養(yǎng)皿底 部，厚約2. 5_，再均勻涂濃度為107cfu/ml的大腸桿菌(Escherichia coli)菌液，形成菌 液膜。裁取六塊10*10*0. 5mm3的接骨板，其中上表面分別已經(jīng)涂覆上述六鐘玻璃涂層，將 其平放于皿中，37°C下培養(yǎng)24h，觀察涂層樣品周圍細菌生長情況，測量抑菌圈。結(jié)果顯示，隨著銅含量的增加，抑菌圈擴大，抑菌性能得到加強。含鋅硼酸鹽玻璃 涂層的抑菌性能隨著鋅含量的增加也得到加強，規(guī)律與銅離子相似，但其抑菌性能略低于 同樣質(zhì)量百分比含量的銅離子所得涂層(見表2)。表2 實施例4 抗菌硼酸鹽玻璃涂層的生物相容性按照實施例1方法，在配方中，分別加入0. 397g，0. 529g，1. 058g的磷酸銀，分別制 得含有AgO為0. 75，1. 0和2. Owt%的三種玻璃涂層塊，所得三種不同銀含量的玻璃涂層塊 分別浸泡在乙醇中24小時，之后用去離子水清洗3次。然后按照1. 25cm2表面積對應(yīng)Iml 溶液的比例將玻璃浸泡在DMEM細胞培養(yǎng)基或者α -MEM細胞培養(yǎng)基中。24小時后，去除玻 璃塊，得到三種玻璃的浸提液，并在其中補充體積比為10%的胎牛血清和的青鏈霉素。然后在浸提液中引入MC3T3E1型成骨細胞，將細胞株以0. 2ml/孔的密度種植至 96孔的培養(yǎng)皿中。然后將成骨細胞培養(yǎng)在α-MEM培養(yǎng)基中，培養(yǎng)基中添加10%胎牛血清， 100U/ml青霉素，lOOug/ml的鏈霉素。未添加玻璃浸提液的培養(yǎng)基作為對照組。所有細胞 都培養(yǎng)在37°C下，5% CO2環(huán)境中。經(jīng)過24小時的培養(yǎng)，通過MTT比色法來評價細胞的生長 情況。結(jié)果顯示隨著硼酸鹽玻璃中銀含量的提高對細胞損害較大，而含銀量及 0. 75%的硼酸鹽玻璃浸提液對細胞的毒性較小，含銀量2%的硼酸鹽玻璃浸提液也在可承受的范圍之內(nèi)(見圖1)。實施例5 抗菌硼酸鹽玻璃涂層的刺激骨細胞生長性能按照實施例4制得銀含量不同的三種硼酸鹽玻璃，并獲得三種相應(yīng)的玻璃涂層塊 的浸提液。將MC3T3-E1型成骨細胞種在24孔培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)在空白培養(yǎng)基或者添加了含 銀硼酸鹽玻璃浸提液的培養(yǎng)基中。經(jīng)過48小時的培養(yǎng)，用PBS清洗細胞兩次，然后放置在 500ul濃度為的Triton X-100磷酸緩沖液中，利用凍融循環(huán)(_80/37°C )將細胞溶解。 等份的溶解液分別裝在96孔的培養(yǎng)皿中利用分光光度法測量其ALP活性。結(jié)果顯示，加入了含銀量分別為0%、0. 75%U. 0%,2. 0%的四組硼酸鹽玻璃浸提 液的α-MEM與空白的α-MEM培養(yǎng)基對成骨細胞性能造成的影響差別不大(見圖2)。結(jié)果 顯示，此三種含銀玻璃涂層塊都具有優(yōu)異的生物活性，能刺激骨細胞的增殖。實施例6 抗菌硼酸鹽玻璃涂層在動物體內(nèi)的作用按照實施例1，取由沉降法制得涂有含氧化銀Iwt %的硼酸鹽玻璃涂層接骨板 (20x2x0. 5mm)，埋入到10只兔子的脛骨的表面，然后在兔子的脛骨附近注入含有金黃色葡 萄球菌ATCC25923乳濁溶液0. 1毫升，制造含有細菌的動物模型。在接骨板埋入兔子的實 驗期間，10只兔子沒有發(fā)現(xiàn)炎癥癥狀。在10周以后從兔子體內(nèi)取出埋入的接骨板，沒有發(fā) 現(xiàn)骨組織壞死跡象，說明接骨板涂層有抗菌功能；分離接骨板的表面形成物，進行XRD表面 分析(見圖3)，提示表明該表面形成物含有骨組織中無機礦物，羥基磷灰石，說明在兔子體 內(nèi)的接骨板對骨細胞生長有一定的刺激作用。
權(quán)利要求
一種具有生物活性及抗菌性能的硼酸鹽玻璃涂層的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)向硼酸鹽玻璃中加入含有滅菌離子的鹽類，研磨混合均勻之后，采用高溫熔融法制得玻璃塊；將所得含有滅菌離子的玻璃塊粉碎篩分得到粒徑均一、平均粒徑小于50um的玻璃粉；所述滅菌離子為重金屬離子，為銀離子、鋅離子或銅離子中任一種；滅菌離子的加入量為硼酸鹽玻璃質(zhì)量的0.1wt％-15wt％；所述硼酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體為B2O3，不含或少量含SiO2/或含P2O5，其中B2O3含量大于SiO2/P2O5含量，網(wǎng)絡(luò)形成體的總分子比例為30～90mol％；網(wǎng)絡(luò)外體含有CaO，并還含有Na2O、K2O堿金屬氧化物以及MgO，SrO堿土金屬氧化物；網(wǎng)絡(luò)外體離子氧化物的總分子比例為5～80mol％；其中CaO和SrO的分子比例各為5～60mol％；(2)通過超聲振蕩將步驟(1)所得玻璃粉均勻分散在溶劑中，然后隨著溶劑的揮發(fā)，玻璃粉便沉積在植入器材表面；或采用噴涂法，將含有玻璃粉的粘結(jié)劑噴涂在植入器材表面；或采用提拉法，將含有玻璃粉的粘結(jié)劑粘附在植入器材表面；(3)將步驟(2)已經(jīng)沉積了玻璃粉末或黏附了玻璃粉末的植入器材放進馬弗爐中，在350-400℃溫度下燒燼粘結(jié)劑，在600～1000℃下保溫2-30min，即得所需抗菌涂層。
2.一種如權(quán)利要求1所述方法制備得到具有生物活性及抗菌性能的硼酸鹽玻璃涂層 在骨修復(fù)植入體上的應(yīng)用。
3.—種如權(quán)利要求1所述方法制備得到的具有生物活性及抗菌性能的硼酸鹽玻璃涂 層在刺激骨細胞生長上的應(yīng)用。
4.一種如權(quán)利要求1所述方法制備得到的具有生物活性及抗菌性能的硼酸鹽玻璃涂 層在動物體內(nèi)的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有生物活性的硼酸鹽玻璃抗菌涂層的制備方法及其應(yīng)用。其制備步驟如下制備含有滅菌離子的硼酸鹽玻璃，將玻璃粉碎篩分；將上述玻璃粉均勻涂覆至植入器材表面，然后經(jīng)過熱處理，使玻璃粉具有黏性，形成覆蓋在植入器材表面上的抗菌涂層。該工藝設(shè)備簡單，容易操作，成本低廉。本發(fā)明的涂層具有抗菌性及生物活性，能牢固地涂覆在植入器材表面，能有效改良現(xiàn)有植入材料的生物活性及抗菌性能。
文檔編號C03C14/00GK101884807SQ20101020908
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者周萘, 張長青, 王德平, 羅仕華, 肖偉, 黃文旵 申請人:同濟大學(xué)