生物玻璃复合骨水泥及电场处理方法
阅读说明：本技术 生物玻璃复合骨水泥及电场处理方法 (Biological glass composite bone cement and electric field treatment method ) 是由 林健 姚爱华 朱子旻 张敏慧 张轩宇 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种生物玻璃复合骨水泥及电场处理方法,电场处理方法包括对硼硅酸盐生物玻璃粉施加直流电场诱导表面预处理；还可以包括对硼硅酸盐生物玻璃复合骨水泥在固化后加载安全直流电场。与现有技术相比,本发明中,硼硅酸盐生物玻璃粉通过直流电场诱导表面预处理生成含扩散孔道的富硅玻璃相缓释膜层以提升由其制成的生物玻璃复合骨水泥使用初期生物安全性；硼硅酸盐生物玻璃复合骨水泥在固化后通过加载安全直流电场调控生物玻璃复合骨水泥的生物活性,实现骨组织的可控、可持续修复；生物玻璃复合骨水泥中引入纳米导电功能相,可以改善生物玻璃骨水泥的电导性能,提升直流电场诱导矿化效率；该技术可应用于骨组织工程中骨修复、再生等领域。(The invention relates to a bioglass composite bone cement and an electric field treatment method, wherein the electric field treatment method comprises the steps of applying direct current electric field induced surface pretreatment to borosilicate bioglass powder; and the method can also comprise loading a safe direct current electric field on the borosilicate bioglass composite bone cement after curing. Compared with the prior art, the borosilicate bioglass powder is subjected to surface pretreatment induced by a direct current electric field to generate a silicon-rich glass phase slow-release film layer containing diffusion pore channels so as to improve the biological safety of bioglass composite bone cement prepared from the borosilicate bioglass powder at the initial use stage; after being cured, the borosilicate bioglass composite bone cement regulates and controls the bioactivity of the bioglass composite bone cement by loading a safe direct current electric field, thereby realizing the controllable and sustainable repair of bone tissues; the nano conductive functional phase is introduced into the biological glass composite bone cement, so that the conductivity of the biological glass bone cement can be improved, and the induced mineralization efficiency of a direct current field is improved; the technology can be applied to the fields of bone repair, regeneration and the like in bone tissue engineering.)
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，尤其是涉及一种生物玻璃复合骨水泥及电场处理方法。
背景技术
近年来，由于交通事故、疾病、自然灾害等意外事件及人口老龄化的加剧，骨骼疾病成为当今重要的问题。据统计，我国骨创伤患者年达300万人、骨质疏松患者及骨关节炎患者每年将近2亿余人，骨组织缺损与损伤已成为影响人们健康和生活的重要疾病。以硼硅酸盐生物玻璃粉末作为固相的生物活性玻璃骨水泥是一种新兴的生物医用骨修复材料，具有优异的生物相容性、生物活性和生物降解性能。这类材料作为生物医用材料具有金属、高分子及生物惰性材料所不可比拟的优势，能与人体骨形成直接的化学结合，其在体内生化环境中可在表面矿化形成人体骨生长所需的羟基磷灰石，诱导骨细胞增殖、促进骨重建。
然而本发明申请人发现，硼酸盐生物玻璃在使用1-2天的初期活性离子释放速度较快。另外在使用1-2周后的中后期，生物玻璃中活性离子的释放明显降低。
发明内容
本发明申请人发现，从硼硅酸盐生物玻璃在人体或人体模拟体液(SBF)中的硼、钙等活性离子释放以及生成羟基磷灰石等的矿化机制来看，硼硅酸盐生物玻璃在使用初期的活性离子释放速度较快，因此需要限制生物玻璃中的硼含量及在复合骨水泥中的生物玻璃使用量。而在中后期，生物玻璃中活性离子的释放明显降低，导致生物活性过低而延缓骨修复进程。
本发明的目的就是为了提供一种生物玻璃复合骨水泥及电场处理方法。通过直流电场诱导硼硅酸盐生物玻璃粉预处理，将硼硅酸盐生物玻璃粉体表层的硼、钙离子部分拉出以形成富硅玻璃相膜层，并生成易于中后期离子扩散的扩散孔道，减缓生物玻璃复合骨水泥在使用初期的活性离子释放以提升生物安全性，但并不影响中后期的活性离子释放。另外，在生物玻璃复合骨水泥植入后，通过在植入部位体外(或对骨水泥所置于的人体模拟体液)施加人体安全直流电场调控复合骨水泥中生物玻璃的离子释放和矿化速度，以保持优良的生物活性，并实现生物安全性与生物活性的全过程可控，将明显提升生物玻璃骨水泥的骨修复效率。而具有优良化学稳定性、高电导性能、低毒副作用的贵金属纳米晶或纳米氮化钛引入，将有利于改善生物玻璃复合骨水泥的电场敏感性，从而加快生物玻璃中活性离子释放和羟基磷灰石生成，加快骨组织的可持续修复。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明第一方面提供一种生物玻璃复合骨水泥的电场处理方法，包括步骤S1：对硼硅酸盐生物玻璃粉施加直流电场诱导表面预处理。
优选地，对硼硅酸盐生物玻璃粉施加直流电场诱导表面预处理，用于生成含扩散孔道的富硅玻璃相缓释膜层。
优选地，步骤S1中，将硼硅酸盐生物玻璃粉置于人体模拟体液(SBF)中并施加直流电场，电流为100～300mA，时间为2～10h，以形成含扩散孔道的富硅玻璃相缓释膜层。
优选地，还包括步骤S2：对由硼硅酸盐生物玻璃粉制成的生物玻璃复合骨水泥在固化后加载安全直流电场。
优选地，对生物玻璃复合骨水泥在固化后加载安全直流电场，用于调控生物玻璃复合骨水泥中活性离子释放速度和矿化速度。
优选地，步骤S2中，在生物玻璃复合骨水泥在固化后，施加安全直流电场调控生物玻璃复合骨水泥中活性离子释放速度，直流电场电流为0.1～90mA，每天施加1-24h。
优选地，步骤S2中，用于人体时，直流电场电流为0.1～10mA。
本发明第二方面提供一种生物玻璃复合骨水泥，按照质量份，由5～70份固相硼硅酸盐生物玻璃粉、30～95份液相粘结剂和0～30份纳米导电功能相组成。
优选地，所述的液相粘结剂为聚甲基丙烯酸甲酯或海藻酸钠混合溶液；
所述的聚甲基丙烯酸甲酯混合溶液按质量份，由100份聚甲基丙烯酸甲酯粉体、50份甲基丙烯酸甲酯、0.5份过氧化二苯甲酰和0.3份N,N-二甲基对甲苯胺混合而成；
所述的海藻酸钠混合溶液按照质量份，由2份海藻酸钠、3份磷酸氢二钠、1份葡萄糖酸内酯和100份水混合而成；
所述的液相粘结剂的混合溶液配制后即加入固相硼硅酸盐生物玻璃粉和纳米导电功能相并混合均匀，固化后形成生物玻璃复合骨水泥。
优选地，该生物玻璃复合骨水泥中，纳米导电功能相的质量份为0～30份，但不包含0。
优选地，所述的纳米导电功能相包括10～500nm氮化钛颗粒和10～100nm纳米金颗粒的一种或几种。
与现有技术相比，本发明具有以下至少一种有益效果：
1、利用直流电场对硼硅酸盐生物玻璃粉体进行表面预处理，可以快速将粉体表层的硼、钙等离子部分拉出以形成富硅玻璃相膜层，并形成适于中后期离子扩散所需的扩散孔道；因此在由其制成的生物玻璃复合骨水泥植入初期，玻璃粉体表层含硼、钙量较少而导致这些活性离子释放也较少，保障了在植入初期(植入1～2天)的复合骨水泥生物安全性；而扩散通道的存在又可以使玻璃内部硼、钙等活性离子在中后期仍得以快速析出，有效保持了其较好的生物活性。
2、在硼硅酸盐生物玻璃复合骨水泥植入中后期(植入1～2周后)体外施加人体安全直流电场，可以调控生物玻璃中活性离子释放速度，并使得越来越慢的矿化进程得以再次提速，在体外加快生物玻璃降解、矿化及自身骨生长，促进骨折部位愈合。
3、在生物活性玻璃的基础上，引入氮化钛、纳米金颗粒等纳米导电功能相，可以改善生物玻璃骨水泥的电导性能，提升直流电场诱导矿化效率。
4、生物活性玻璃的中后期骨修复性能可通过改变纳米导电功能相引入量和外加电场参数进行调控，从而满足不同部位骨修复术后康复的需求。
附图说明
图1为硼硅酸盐生物玻璃粉或复合骨水泥浸泡在人体模拟体液中电场处理装置示意图。
图2为浸泡在人体模拟体液中每天电场处理1h、3d后的硼硅酸盐生物玻璃颗粒表面形貌(1)及钙磷比(2)，其中a1、a2为不加电场的对照组，b1、b2为加载30mA样品，c1、c2为加载60mA样品，d1、d2为加载90mA样品。
图3为浸泡在人体模拟体液中每天电场处理1h、14d后的硼硅酸盐生物玻璃颗粒XRD谱，电流强度分别为0mA、30mA、60mA、90mA。
具体实施方式
一种生物玻璃复合骨水泥的电场处理方法，包括步骤S1：对硼硅酸盐生物玻璃粉施加直流电场诱导表面预处理。
步骤S1中，优选对硼硅酸盐生物玻璃粉施加直流电场诱导表面预处理，用于生成含扩散孔道的富硅玻璃相缓释膜层。进一步优选，将硼硅酸盐生物玻璃粉置于人体模拟体液中并施加直流电场，电流为100～300mA，时间为2～10h，以形成含扩散孔道的富硅玻璃相缓释膜层。
优选该处理方法还包括步骤S2：对由硼硅酸盐生物玻璃粉制成的生物玻璃复合骨水泥在固化后加载安全直流电场。
步骤S2中，优选对生物玻璃复合骨水泥在固化后加载安全直流电场，用于调控硼硅酸盐生物玻璃复合骨水泥中活性离子释放速度和矿化速度。进一步优选在生物玻璃复合骨水泥在固化后，施加安全直流电场调控生物玻璃复合骨水泥中活性离子释放速度，直流电场电流为0.1～90mA，每天施加1～24h。
本发明中的生物玻璃复合骨水泥，按照质量份，可以由5～70份固相硼硅酸盐生物玻璃粉、30～95份液相粘结剂和0～30份纳米导电功能相组成。
液相粘结剂优选为聚甲基丙烯酸甲酯或海藻酸钠混合溶液；聚甲基丙烯酸甲酯混合溶液按质量份，可以由100份聚甲基丙烯酸甲酯粉体、50份甲基丙烯酸甲酯、0.5份过氧化二苯甲酰和0.3份N,N-二甲基对甲苯胺混合而成；海藻酸钠混合溶液按照质量份，可以由2份海藻酸钠、3份磷酸氢二钠、1份葡萄糖酸内酯和100份水混合而成；液相粘结剂的混合溶液配制后即加入固相硼硅酸盐生物玻璃粉和纳米导电功能相并混合均匀，固化后形成生物玻璃复合骨水泥。优选该生物玻璃复合骨水泥中，纳米导电功能相的重量份为0～30份，但不包含0。进一步优选纳米导电功能相包括10～500nm氮化钛颗粒和10～100nm纳米金颗粒的一种或几种。
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明。其中，本发明实施例不限定于以下的具体实施例。在不改变权利的范围内，可以适当进行变更实施。
实施例1
将基本化学组成为54SiO2-6Na2O-8K2O-8MgO-22CaO-2P2O5(mol％)的硼硅酸盐生物玻璃粉置于37℃的人体模拟体液(SBF)中施加直流电场进行预处理，施加时间5h，电流200mA，在生物玻璃粉颗粒表面生成含扩散孔道的富硅玻璃相缓释膜层。进而按质量数计，取50份经预处理的硼硅酸盐生物玻璃粉、40份海藻酸钠混合溶液、10份平均粒度为400nm的氮化钛纳米导电功能相，制成硼硅酸盐生物玻璃复合骨水泥，固化成型后浸泡在人体模拟体液(SBF)中，保持37℃恒温环境。利用电感耦合等离子发射仪测试浸泡液中活性离子浓度变化，生物玻璃复合骨水泥浸泡第1天的硼离子和钙离子释放量较不经电场预处理的对照组分别下降9％和7％，第三天分别上升3％和2％。
实施例2
按质量数计，取10份基本化学组成为54SiO2-6Na2O-8K2O-8MgO-22CaO-2P2O5(mol％)的硼硅酸盐生物玻璃粉、90份PMMA混合溶液，制成硼硅酸盐生物玻璃复合骨水泥，固化成型后浸泡在人体模拟体液(SBF)中，保持37℃恒温环境，第8天后每天对含骨水泥的人体模拟体液施加直流电场1h，电流分别为30mA、60mA和90mA，并设置不加电场的对照组，浸泡在人体模拟体液中每天电场处理1h、3d后的硼硅酸盐生物玻璃颗粒表面形貌及钙磷比具体参见图2，从图中可以看出，随着加载电流强度的增加，硼硅酸盐生物玻璃颗粒在降解过程中其表面析出的羟基磷灰石颗粒不断增加，并由颗粒状转变为与人体骨骼结构相近的致密针状羟基磷灰石层，其钙磷比Ca/P也逐渐接近羟基磷灰石的1.67理论钙磷比，表明直流电场的加载明显促进了硼硅酸盐生物玻璃及其复合骨水泥的矿化效率。对于电流为60mA的试验组，利用X射线衍射谱分析骨水泥中羟基磷灰石相对含量，与不加电场的对照组相比，21天后羟基磷灰石生成率提升2.3倍。
实施例3
将基本化学组成为54SiO2-6Na2O-8K2O-8MgO-22CaO-2P2O5(mol％)的硼硅酸盐生物玻璃粉置于45℃的人体模拟体液(SBF)中施加直流电场进行预处理，施加时间3h，电流300mA，在生物玻璃粉颗粒表面生成含扩散孔道的富硅玻璃相缓释膜层。进而按质量数计，取70份经预处理的硼硅酸盐生物玻璃粉、30份海藻酸钠混合溶液，制成硼硅酸盐生物玻璃复合骨水泥，固化成型后浸泡在人体模拟体液(SBF)中，保持37℃恒温环境。利用电感耦合等离子发射仪测试浸泡液中活性离子浓度变化，生物玻璃复合骨水泥浸泡第1天的硼离子和钙离子释放量较不经电场预处理的对照组分别下降12％和10％，第三天分别上升4％和3％。生物玻璃复合骨水泥浸泡第10天后每天对含骨水泥的人体模拟体液施加直流电场5h，电流为5mA。利用X射线衍射谱分析骨水泥中羟基磷灰石相对含量，与不加电场的对照组相比，21天后羟基磷灰石生成率提升30％。
实施例4
将基本化学组成为54SiO2-6Na2O-8K2O-8MgO-22CaO-2P2O5(mol％)的硼硅酸盐生物玻璃粉置于37℃的人体模拟体液(SBF)中施加直流电场进行预处理，施加时间2h，电流100mA，在生物玻璃粉颗粒表面生成含扩散孔道的富硅玻璃相缓释膜层。进而按质量数计，取20份经预处理的硼硅酸盐生物玻璃粉、75份PMMA混合溶液，5份平均粒度为50nm的纳米金导电功能相制成硼硅酸盐生物玻璃复合骨水泥，固化成型后浸泡在人体模拟体液(SBF)中，保持37℃恒温环境。利用电感耦合等离子发射仪测试浸泡液中活性离子浓度变化，生物玻璃复合骨水泥浸泡第1天的硼离子和钙离子释放量较不经电场预处理的对照组均下降3％，第三天与对照组相同。生物玻璃复合骨水泥浸泡第15天后每天对含骨水泥的人体模拟体液施加直流电场1h，电流强度分别为30mA、60mA、90mA，并设置不加电场的对照组，浸泡在人体模拟体液中每天电场处理1h、14d后的硼硅酸盐生物玻璃颗粒XRD谱参见图3，从图3中可以看出，随着加载电流强度的增加，样品中羟基磷灰石HA析出量明显增加，与不加电场(0mA)对照组相比其羟基磷灰石生成率大幅上升，甚至在加载90mA的样品中出现了有利于骨修复的碳酸钙晶体，表明直流电场加载对硼硅酸盐生物玻璃及其复合骨水泥矿化促进的显著效果。
对于电流为30mA的试验组，利用X射线衍射谱分析骨水泥中羟基磷灰石相对含量，与不加电场的对照组相比，21天后羟基磷灰石生成率提升40％。
实施例5
将基本化学组成为54SiO2-6Na2O-8K2O-8MgO-22CaO-2P2O5(mol％)的硼硅酸盐生物玻璃粉置于40℃的人体模拟体液(SBF)中施加直流电场进行预处理，施加时间10h，电流150mA，在生物玻璃粉颗粒表面生成含扩散孔道的富硅玻璃相缓释膜层。进而按质量数计，取35份经预处理的硼硅酸盐生物玻璃粉、60份PMMA混合溶液、5份平均粒度为20nm的氮化钛纳米导电功能相制成硼硅酸盐生物玻璃复合骨水泥，固化成型后浸泡在人体模拟体液(SBF)中，保持37℃恒温环境。利用电感耦合等离子发射仪测试浸泡液中活性离子浓度变化，生物玻璃复合骨水泥浸泡第1天的硼离子和钙离子释放量较不经电场预处理的对照组分别下降11％和8％，第三天分别上升3％和2％。生物玻璃复合骨水泥浸泡第8天后每天对含骨水泥的人体模拟体液施加直流电场24h，电流为0.5mA。利用X射线衍射谱分析骨水泥中羟基磷灰石相对含量，与不加电场的对照组相比，21天后羟基磷灰石生成率提升15％。
以上实施例在图1所示的装置中进行。生物玻璃粉体或生物玻璃骨水泥置于存有人体模拟体液的37℃恒温槽中，利用直流电源及铂电极以恒流方式对试样加载直流电场。
以上实施例中，聚甲基丙烯酸甲酯混合溶液按质量份，由100份聚甲基丙烯酸甲酯粉体、50份甲基丙烯酸甲酯、0.5份过氧化二苯甲酰和0.3份N,N-二甲基对甲苯胺混合而成；海藻酸钠混合溶液按照质量份，由2份海藻酸钠、3份磷酸氢二钠、1份葡萄糖酸内酯和100份水混合而成；液相粘结剂的混合溶液配制后即加入固相硼硅酸盐生物玻璃粉和纳米导电功能相并混合均匀，固化后形成生物玻璃复合骨水泥。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。