醫(yī)用生物活性玻璃的紅外光譜分析及其生物活性探討

1、醫(yī)用生物活性玻璃的紅外光譜分析及其生物活性探討生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志 1999年第0期第16卷 無(wú)機(jī)生物材料及有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料組作者：付靜陳曉峰張梅梅張曉凱單位：付靜陳曉峰張梅梅（山東輕工業(yè)學(xué)院 無(wú)機(jī)材料系）；張曉凱（山東師范大學(xué) 分析測(cè)試中心）關(guān)鍵詞：生物玻璃；模擬生理溶液；碳酸羥基磷灰石(HCA)；生物活性；紅外光譜摘要生物玻璃在模擬生理溶液中浸泡，表面生成與人體骨骼無(wú)機(jī)礦物成分相似的碳酸羥基磷灰石(HCA)Ca10(PO4)6)(2HO-，本實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用傅立葉紅外變換光譜儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，并輔以?huà)呙桦婄R(SEM)分析手段，通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)(In Vitro)觀(guān)察了HCA的形成過(guò)程及其表面形貌，探

2、討了生物玻璃的活性機(jī)理。Infro-Red Spectrum Analysis on A Medical Bioactive Glassand Investigation on Its Bioactivity1引言生物玻璃的生物活性在于植入人體后，通過(guò)一系列表面化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸羥基磷灰石(HCA)，與人體活骨組織產(chǎn)生牢固的化學(xué)結(jié)合，HCA是衡量材料生物活性的標(biāo)志。紅外光譜分析是用來(lái)測(cè)定HCA的準(zhǔn)確而又快捷的手段。在紅外光譜圖上，波數(shù)在602 cm-1和560 cm-1處的反射峰是HCA的特征峰1，對(duì)浸泡不同時(shí)間的生物玻璃進(jìn)行紅外光譜分析，根據(jù)HCA特征峰出現(xiàn)的早晚，確定生物玻璃活性的高低。2

3、實(shí)驗(yàn)2.1本實(shí)驗(yàn)樣品的化學(xué)組成(表12)。表1生物玻璃化學(xué)組成SiO2Na2OCaOP2O54524.524.56生物成玻璃的制備：2.2模擬生理溶液的制備采用分析純?cè)噭鶕?jù)人體細(xì)胞外液(血漿)中各離子的濃度，制得模擬人體細(xì)胞外液(SBF)，如表2。表2SBF溶液及人血漿中各離子的濃度(mM)離子SBF人血漿Na+142.0142.0K+5.05.0Mg2+1.51.5Ca2+2.52.5Cl-147.8103.0HCO3-4.227.0HPO2-41.01.0SO2-40.50.52.3模擬生理溶液的制備采用分析純?cè)噭鶕?jù)人體細(xì)胞外液(血漿)中各離子的濃度，制得模擬人體細(xì)胞外液(SBF)

4、，如表2。2.4紅外光譜分析玻璃在紅外區(qū)的吸收屬于分子吸收，紅外光的某一頻率與玻璃中分子振動(dòng)(或相當(dāng)于分子大小的官能團(tuán))的本征頻率相近或相同引起共振，產(chǎn)生紅外吸收3。本實(shí)驗(yàn)按玻璃表面積/溶液體積=0.1 cm-1的比例，將試樣浸泡不同時(shí)間，取出烘干，利用Nicolet Avatar 360傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定，得到漫反射光譜。2.5SEM分析將浸泡不同時(shí)間的樣品敲擊成合乎樣品臺(tái)尺寸的薄片，用5%HF溶液處理10秒，并在TB-5型離子濺射儀上進(jìn)行噴鉑處理，然后在H-800型透射電子顯微鏡上配有的H-8010型掃描電鏡上做形貌觀(guān)察。3結(jié)果與討論隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，曲線(xiàn)a上1060 cm-4處

5、Si-O伸縮振動(dòng)峰和925 cm-1處Si-O-Si伸縮振動(dòng)峰被P-O伸縮振動(dòng)所取代，磷酸鹽無(wú)定形相的P-O扭曲振動(dòng)出現(xiàn)；浸泡24 h，HCA晶體出現(xiàn)，表現(xiàn)為602 cm-1和560 cm-1左右出現(xiàn)特征峰。波數(shù)在480 cm-1出的Si-O彎曲振動(dòng)峰是衡量HCA厚度的標(biāo)志4；浸泡36 h以后，S-O變曲振動(dòng)峰消失，說(shuō)明HCA具有一定厚度，并已覆蓋玻璃表面。通過(guò)照片可以清楚地看到HCA形成的全過(guò)程及其形貌。隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，玻璃表面出現(xiàn)團(tuán)粒狀覆蓋層(Ca-P)，繼續(xù)浸泡，顆粒逐漸長(zhǎng)大，覆蓋層變厚。36 h后，形成一定厚度的板狀HCA層，玻璃表面完全被覆蓋，這與紅外光譜分析結(jié)果一致。玻璃表面失重

6、，是由于玻璃中Na+、Ca2+、PO3-4/P5+、Si4+的溶解而造成的5。玻璃表面失重隨浸泡時(shí)間加長(zhǎng)而增加，最后趨于恒定。圖1生物玻璃在模擬細(xì)胞外液中浸泡不同時(shí)間的FTIR圖譜圖2生物玻璃在模擬細(xì)胞外液中浸泡不同時(shí)間的SEM照片圖3生物玻璃在模擬細(xì)胞外液中的重量變化曲線(xiàn)綜上所述，生物玻璃的活性機(jī)理可如下描述：生物玻璃植入體內(nèi)，玻璃中的Na+與溶液中的H+發(fā)生離子交換，生成Si-OH。H2O直接攻擊Si-O-Si鍵，導(dǎo)致Si-O-Si鍵斷裂，生成Si-OH。Si-OH團(tuán)縮合在玻璃表面形成多孔疏松的硅膠層，玻璃中的Ca2+、PO2-4/P5+便會(huì)通過(guò)氣孔擴(kuò)散到溶液中，導(dǎo)致玻璃失重，溶液中Ca2+、PO3-4/P5+過(guò)飽和而在硅膠層上積聚，形成富Ca、P層。由于溶液中OH-、CO2-3的作用，Ca、P層進(jìn)一步晶化形成含碳的羥基磷灰石(即HCA)，與人體軟、硬組織產(chǎn)生牢固的化學(xué)結(jié)合。4結(jié)論(1)紅外光譜分析，SEM是鑒定生物玻璃活性的有效手段。(2)Na2O-CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng)玻璃在模擬生理溶液中浸泡，表現(xiàn)出良好的生物活性，可以用作人體骨骼的修復(fù)材料。(3)HA是衡量材料生物活性的標(biāo)