專利名稱：石墨烯/生物活性干凝膠及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種石墨烯/生物活性干凝膠及其制備工藝與應用，屬于生物醫用材料領域中的硬組織填充材料，主要應用于骨替代或修復領域。
背景技術：
生物醫用材料是一類天然或人工合成材料，可單獨或與藥物一起制成并用于組織或器官的治療和修復，在體內不會對宿主引起急性或慢性危害。生物醫用材料的最終目的是使其能夠替代或修復人體病變的器官或組織，并使其恢復生理功能。硬組織填充材料已成為生物醫用材料的一個重要的組成部分，對人體硬組織如骨、牙齒等的修復和重建起著重要作用。目前臨床上用于破損骨的填充材料通常包括自體移植、同種異體移植及人工合成硬組織修復材料。其中前兩者是以犧牲人體部分正常組織為代價獲得，來源有限，其移植后具有一定的并發癥發生。長期以來人們一直致力于研究一類新的人工合成材料，能夠激發和主動誘導人體組織的自身修復與再生，從而使病變組織得以修復或替代。生物活性玻璃，簡稱生物玻璃，是一種重要的人工合成硬組織替代材料。生物玻璃是通過在生物環境中與體液發生化學反應，在其界面形成多孔的SiO2凝膠層，隨后生物玻璃內的Ca2+和體液中的P043_向SiO2凝膠層擴散、沉積，逐漸發生礦化，進而在其表面形成羥基磷灰石(hydroxyapatite, HA)覆蓋層，實現生物玻璃與宿骨之間的化學鍵性結合,這種鍵合非常牢固，與正常愈合的骨折界面強度等效。生物玻璃可以參與生物體正常代謝，具有骨誘導和傳導能力，在體內可顯示長期的結構穩定性和良好的生物相容性。大量研究表明，礦化時間的長短直接影響到病人的病灶痊愈時間和初期痊愈效果，因此，如何縮短生物玻璃的礦化時間一直是該領域的研究熱點。US4775646 (Fluoride-containing Biogl`ass compositions)通過在生物玻璃中引入 F 離子明顯縮短了礦化時間，礦化反應I天即出現HA晶相，3天后HA晶型已較完整，并在隨后的3天至14天內，HA晶相保持穩定。US6709744(Bioactive materials)以45S生物玻璃為基引入B元素(45SB5)，并證實B元素的引入可明顯縮短礦化時間，在礦化反應5天時就呈現出明顯的羥基磷灰石(HA)晶相XRD特征峰。US20080241248 (Porous matrix)和 US7709081 (Porous bioactive glass and preparation method thereof)米用多孔生物玻璃同樣也達到了促進礦化的作用，在礦化反應 天后已獲得晶型較完整的HA晶相。Yadong Li 等人發表的論文(Early Stages of Calcium Phosphate Formation onBioactive Borosilicate Glass in Aqueous Phosphate Solution, J.Am.Ceram.Soc.,2008,91 [5] 1528-1533)顯示，40.0Β203_7.5Si02_40.0CaO-8.0Na20_2.0A1203_2.5P205 生物玻璃在0.25M K2HPO4水溶液中礦化I小時即形成微量的HA晶相。但是，生物玻璃一般采用高溫熔制或燒結工藝合成，無法與骨生長因子或藥物等一起制成具有骨組織生長或治療功能的生物醫用填充或修復材料
發明內容
本發明的目的在于，針對現有生物玻璃作為骨修復或填充材料在植入生物體后其礦化時間較長以及生物玻璃制備需要高溫過程等方面的不足，而提供一種生物活性干凝膠及其制備方法。為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:一種生物活性干凝膠，其中分散有石墨烯，所述生物活性干凝膠包含如下摩爾百分含量的組分:CaO 25 80mol%SiO2 O 70mol%B2O3 O 70mol%，優選為大于O且小于等于70mol%P2O5 2 10mol%。優選的，本發明所提供的上述生物活性干凝膠中，所述石墨烯的含量(石墨烯占所述生物活性干凝膠的重量百分含量)為0.0024-0.024wt%。優選的，所述生物活性干凝膠中，各組分的摩爾含量為:CaO 25 50mol% SiO2 20 70mol%B2O3 O 45mol %,優選為大于O且小于等于45mol %P2O5 2 IOmol%。進一步優選的，所述生物活性干凝膠中，各組分的摩爾含量為:CaO 30 50mol%SiO2 20 60mol%B2O3 5 45mol%P2O5 2 IOmol%。本發明還進一步公開了一種通過溶膠凝膠工藝制備上述生物活性干凝膠的方法，通過生物玻璃溶膠并與石墨烯溶液混合，然后通過陳化、干燥等工藝獲得礦化速率更快，無需經過高溫合成過程，能夠滿足與藥物、骨細胞或生長因子復合的，具有骨組織治療、骨細胞快速增殖等功能的生物醫用修復或填充材料。具體的，本發明的石墨烯/生物活性干凝膠的制備方法包括如下步驟:I)制備濃度為0.01g/L-l.0g/L的石墨烯水溶液；2)合成溶膠:按配比將CaO的前驅物、SiO2的前驅物、B2O3的前驅物、P2O5的前驅物以及分散劑和無水乙醇于30-90°C下混合攪拌10-120分鐘，然后加入去離子水攪拌均勻，調整PH值為2-9，繼續攪拌直至得到清澈透明和性能穩定的溶膠；3)在步驟2)所得的溶膠中加入分散劑，然后加入將步驟I)制備的石墨烯水溶液，獲得均勻分散有石墨烯的溶膠，最后于50±1°C下陳化8-10小時，得到濕凝膠；4)將步驟3)所得濕凝膠經90±2°C保溫干燥，最終獲得本發明的石墨烯/生物活性干凝膠。本發明所述的石墨烯是指橫向尺寸遠遠大于其厚度的片狀石墨材料，是以鱗片石墨為原材料，通過各種剝離的方式獲得的。剝離方式包括:化學氧化插層后剝離并還原、電化學剝離、超聲剝離和球磨法剝離等，最優的剝離方法為超聲直接剝離鱗片石墨，得到的石墨烯缺陷少。在最優的剝離過程中添加乙醇，可使所制備的石墨烯表面含有少量羥基；其剝離過程包括步驟:1，將鱗片石墨與乙醇水溶液混合(乙醇:水=1: 10 ;體積比)；2，將混合溶液超聲震蕩一段時間(超聲功率為53kHz、500W，震蕩時間為3-5h) ;3，將超聲后的溶液離心分離(離心速度為lOOOOr/min)，取下層沉淀即可獲得石墨烯。所述石墨烯的厚度為1-20個碳原子層的總厚度，其橫向尺寸為100納米到100微米。所述的石墨烯水溶液，是將石墨烯均勻分散在水中，在制備石墨烯的過程中產生的羥基有助于石墨烯在水中的分散。步驟2)中，所述CaO的前驅物為四水硝酸鈣(Ca(NO3)2.4H20);所述SiO2的前驅物為正硅酸乙酯(TEOS);所述B2O3的前驅物為硼酸三正丁酯或硼酸；所述P2O5的前驅物為磷酸三丁酯(TBP)。步驟2)中，所述無水乙醇的摩爾量與前驅物中各種酯的總摩爾量之比為2 8:1 2。所述去離子水與前驅物中各種酯的總摩爾量之比為4 8:1 2。步驟2)和步驟3)中，所述的分散劑選自聚乙烯醇、草酸、檸檬酸、聚乙烯吡咯烷酮和十二烷基苯磺酸鈉中的一種或多種。所述分散劑的加入量為0.l-5wt%。步驟3)中，通過改變所述石墨烯水溶液的濃度改變石墨烯的添加量。本發明所提供的上述方法以溶膠凝膠工藝為基礎，通過調整溶膠配方，控制溶膠的反應溫度、時間和pH值，調整石墨烯添加量等手段來調控石墨烯/生物活性干凝膠的礦化速度。由于該制備工藝可以徹底取消高溫合成過程，從而滿足了與藥物、細胞或生長因子復合制成具有骨組織生長促進和治療功能的生物醫用修復或填充材料的要求。本發明還進一步提供了一種上述生物活性干凝膠的用途，即所述生物活性干凝膠用于制備生物體硬組織(如骨、牙齒)的修復或填充材料。優選的，即所述生物活性干凝膠用于制備人體骨修復或填充材料。本發明的發明人還進一步發現，在上述的生物活性干凝膠中摻入B2O3后，可以有效的調控石墨烯/生物活性干凝膠的礦化速度，且反應過程更為平緩。因此，通過控制B2O3的加入量，可以人為的控制其礦化速度，使其作為一種潛在的藥物緩釋材料。因此，本發明還提供了一種上述生物活性干凝膠的用途，即所述生物活性干凝膠用作藥物緩釋材料。本發明的有益效果在于:本發明將石墨烯引入生物活性干凝膠中，使其礦化時間從正常的7-30天縮短到0.5到5小時；所用的制備工藝可以徹底取消高溫合成過程，從而滿足與藥物、細胞或生長因子復合制成具有骨組織生長促進和治療功能的生物醫用修復或填充材料的要求。


圖1是實施例1所制備的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的光學照片
圖2是實施例1所制備的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的SEM圖片圖3是實施例1-3所制備的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的體外模擬礦化I小時后其礦化產物的失重曲線圖4是實施例1-3所制備的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的體外模擬礦化I小時后其礦化產物的XRD曲線圖5是實施例1-3所制備的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的體外模擬礦化I小時后其礦化產物的SEM圖片圖6是實施例1-3所制備的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的體外模擬礦化I小時后其礦化產物紅外圖譜圖7是實施例1-3所制備石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的浸出液對MC3T3-E1小鼠顱頂前骨細胞在一天和三天細胞生長數目柱狀8是實施例1-3所制備石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的浸出液對MC3T3-E1小鼠顱頂前骨細胞在一天和三天細胞生長情況的光學照片圖9是實施例1所制備的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的拉曼10是實施例4所制備石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝膠體外模擬礦化I小時其礦化產物的XRD譜11是實施例4所制備石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝膠體外模擬礦化I小時其礦化產物的SEM照片 圖12是實施例5所制備石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝膠的體外模擬礦化產物的失重曲線
具體實施例方式下面通過具體實施例描述，進一步闡述本發明的實質性特點和顯著進步，但本發明決非僅局限于實施例。本發明的石墨烯/生物活性干凝膠對骨細胞生長的影響規律通過以下實驗進行評估。將石墨烯/生物活 性干凝膠與α-ΜΕΜ培養基混合配制成濃度為200mg/mL的混合溶液，并在37°C條件下放置24小時后離心分離取上清液。將收集好的上清液用a -MEM培養基分別稀釋成100、10和lmg/mL。并在96孔接種板上加入濃度為30000cells/mL的MC3T3-E1小鼠顱頂前骨細胞液100 μ L，將其培養24小時。將培養液用50 μ L稀釋液和50 μ L a -MEM取代，并加入20% FBS (胎牛血清)，其中一份空白樣本培養基用10% FBS但不加入稀釋液。將接種版放置于37°C，5% CO2環境中培養12、24和72小時。10 μ L的CCK分別滴入于每個孔中，在培養約I小時后，用450nm波長的光測試其光學濃度來表征其細胞數目。研究結果表明(見圖7、8)，石墨烯/生物活性干凝膠的浸出液對MC3T3-E1小鼠顱頂前骨細胞生長有較好的促進作用。實施例1:以濃度為0.lg/L石墨烯，制備石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠。第一步:按照制備方案中石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠計量比將四水硝酸鈣(Ca(NO3)2.4H20)4.2g、正硅酸乙酯(TEOS) 10.09ml、磷酸三丁酯(TBP) 1.35ml 及 0.1g分散劑檸檬酸依次與11.68ml無水乙醇(其中醇:酯=4: lmol/mol)在水浴溫度為40°C條件下混合攪拌30分鐘。攪拌30分鐘后，加入事先制備好0.lg/L石墨烯水溶液Iml及去3.6ml離子水繼續攪拌10分鐘，用鹽酸調整溶液pH值=4。待上述步驟全部完成后磁力攪拌2小時后停止攪拌。第二步:將制備完的溶膠置于50°C烘箱中8-10小時陳化為凝膠。待變成凝膠后將溫度調至90°C保溫3天獲得干凝膠。第三步:將已制備的干凝膠研磨成粉末，稱Ig干凝膠將其浸泡于IOOml 0.25M磷酸氫二鉀(K2HPO4)溶液中并置于37°C烘箱中lh，反應結束后抽濾，干燥即可。
通過上述工藝，即可得到石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠如圖1、2所示，其生物活性特征如圖3 圖9所示。圖3 圖8中的0.0g/L為實例I中不加入石墨烯的結果，作為參考。圖1、2表明所制備的石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠是均勻透明。圖3表明隨著石墨烯添加量的增加，干凝膠的礦化速度明顯變快。圖4和圖6表明隨著石墨烯添加量的增加，干凝膠的礦化產物HA晶相的變化情況。圖5表明隨著石墨烯添加量的變化，干凝膠的礦化產物HA的典型形貌特征。圖7和圖8表明石墨添加量不同的干凝膠，其浸出液對MC3T3-E1小鼠顱頂前骨細胞生長情況的影響。圖9表明石墨烯成功與生物活性干凝膠相復合。實施例2:以濃度為 0.5g/L石墨烯，制備石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠。第一步:按照制備方案中石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠計量比將四水硝酸鈣(Ca(NO3)2.4H20)4.2g、正硅酸乙酯(TEOS) 10.09ml、磷酸三丁酯(TBP) 1.35ml 及 0.1g分散劑檸檬酸依次與11.68ml無水乙醇(其中醇:酯=4: lmol/mol)在水浴溫度為40°C條件下混合攪拌30分鐘。攪拌30分鐘后，加入事先制備好0.5g/L石墨烯水溶液Iml及去
3.6ml離子水繼續攪拌10分鐘，用鹽酸調整溶液pH值=4。待上述步驟全部完成后磁力攪拌2小時后停止攪拌。第二步:將制備完的溶膠置于50°C烘箱中8-10小時陳化為凝膠。待變成凝膠后將溫度調至90°C保溫3天獲得干凝膠。第三步:將已制備的干凝膠研磨成粉末，稱Ig干凝膠將其浸泡于IOOml 0.25M磷酸氫二鉀(K2HPO4)溶液中并置于37°C烘箱中lh，反應結束后抽濾，干燥即可。通過上述工藝，即可得到石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠的光學和掃描電鏡照片和圖1相似，其生物活性特征如圖3 圖8所示。圖3 圖8中的0.0g/L為實例I中不加入石墨烯的結果，作為參考。實施例3:以濃度為lg/L石墨烯，制備石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠。第一步:按照制備方案中石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠計量比將四水硝酸鈣(Ca(NO3)2.4H20)4.2g、正硅酸乙酯(TEOS) 10.09ml、磷酸三丁酯(TBP) 1.35ml 及 0.1g分散劑檸檬酸依次與11.68ml無水乙醇(其中醇:酯=4: lmol/mol)在水浴溫度為40°C條件下混合攪拌30分鐘。攪拌30分鐘后,加入事先制備好lg/L石墨烯Iml及去3.6ml離子水繼續攪拌10分鐘，用鹽酸調整溶液PH值=4。待上述步驟全部完成后磁力攪拌2小時后停止攪拌。第二步:將制備完的溶膠置于50°C烘箱中8-10小時陳化為凝膠。待變成凝膠后將溫度調至90°C保溫3天獲得干凝膠。第三步:將已制備的干凝膠研磨成粉末，稱Ig干凝膠將其浸泡于IOOml 0.25M磷酸氫二鉀(K2HPO4)溶液中并置于37°C烘箱中lh，反應結束后抽濾，干燥即可。通過上述工藝，即可得到石墨烯/SiO2-CaO-P2O5生物活性干凝膠光學和掃描電鏡照片和圖1相似，其生物活性特征如圖2 圖7所示。圖2 圖7中的0.0g/L為實例I中不加入石墨烯的結果，作為參考。實施例4:以濃度為lg/L石墨烯，制備石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5
第一步:按照制備方案中石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝膠計量比將四水硝酸鈣(Ca (NO3) 2.4H20) 4.2g、正硅酸乙酯(TEOS) 5.18ml、硼酸三正丁酯(Tributoxyboroane) 6.2ml、磷酸三丁酯(TBP) 1.066ml及0.1g分散劑朽1檬酸依次與
11.68ml無水乙醇(其中醇:酯=4: lmol/mol)在水浴溫度為40°C條件下混合攪拌30分鐘。攪拌30分鐘后,加入事先制備好lg/L石墨烯Iml及去3.6ml離子水繼續攪拌10分鐘，用鹽酸調整溶液PH值=4。待上述步驟全部完成后磁力攪拌2小時后停止攪拌。第二步:將制備完的溶膠置于50°C烘箱中8-10小時陳化為凝膠。待變成凝膠后將溫度調至90°C保溫3天獲得干凝膠。第三步:將已制備的干凝膠研磨成粉末，稱Ig干凝膠將其浸泡于IOOml 0.25M磷酸氫二鉀(K2HPO4)溶液中并置于37°C烘箱中lh，反應結束后抽濾，干燥即可。通過上述工藝，即可得到石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝膠光學和掃描電鏡照片和圖1相似，其生物活性特征如圖10和圖11所示。圖10表明石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝膠在體外模擬礦化I小時其礦化產物的XRD。圖11表明石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5生物活性干凝膠在體外模擬礦化I小時其礦化產物的SEM形貌。實施例5:以濃度為lg/L石墨烯，制備石墨烯/SiO2-B2O3-CaO-P2O5改變四水硝酸鈣(Ca (NO3) 2.4H20)、正硅酸乙酯(TEOS)、硼酸三正丁酯(Tributoxyboroane)及磷酸三丁酯(TBP)的用量,其他均與實施例4相同,所得生物玻璃溶膠中各組分的摩爾百分含量如表I所示:`表I
權利要求
1.一種生物活性干凝膠，其特征在于:所述生物活性干凝膠中分散有石墨烯；所述生物活性干凝膠包含如下摩爾百分含量的組分: CaO 25 80mol% SiO2 O 70mol% B2O3 O 70mol% P2O5 2 IOmol%。
2.如權利要求1所述的生物活性干凝膠，其特征在于，所述生物活性干凝膠中含有如下摩爾含量的組分: CaO 25 50mol% SiO2 20 70mol% B2O3 O 45mol% P2O5 2 IOmol%。
3.如權利要求1所述的生物活性干凝膠，其特征在于，所述生物活性干凝膠中含有如下摩爾含量的組分: CaO 25 80mol%SiO2 O 70mol% B2O3 大于O且小于等于70mol % P2O5 2 IOmol%。
4.如權利要求3所述的生物活性干凝膠，其特征在于，所述生物活性干凝膠中含有如下摩爾含量的組分: CaO 30 50mol% SiO2 20 60mol% B2O3 5 45mol% P2O5 2 IOmol%。
5.如權利要求1-4任一所述的生物活性干凝膠，其特征在于，所述石墨烯的含量為0.0024-0.024wt%o
6.如權利要求1-5任一所述的生物活性干凝膠的制備方法，包括如下步驟: 1)制備濃度為0.0lg/L-1.0g/L的石墨烯水溶液； 2)合成溶膠:按配比將CaO的前驅物、SiO2的前驅物、B2O3的前驅物、P2O5的前驅物以及分散劑和無水乙醇于30-90°C下混合均勻，然后加入去離子水攪拌均勻，調整pH值為2-9，繼續攪拌直至得到清澈透明和性能穩定的溶膠； 3)在步驟2)所得的溶膠中加入分散劑，然后加入步驟I)制備的石墨烯水溶液，獲得石墨烯均勻分散的溶膠，最后陳化8-10小時，得到濕凝膠； 4)將步驟3)所得濕凝膠經保溫干燥，最終獲得本發明的生物活性干凝膠。
7.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述石墨烯的厚度為1-20個碳原子層的總厚度，其橫向尺寸為100納米到100微米。
8.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，所述CaO的前驅物為四水硝酸鈣；所述SiO2的前驅物為正硅酸乙酯；所述B2O3的前驅物為硼酸三正丁酯或硼酸；所述P2O5的前驅物為磷酸三丁酯。
9.如權利要求8所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，所述無水乙醇的摩爾量與前驅物中各種酯的總摩爾量之比為2 8: I 2 ;所述去離子水與前驅物中各種酯的總摩爾量之比為4 8: I 2。
10.如權利要求6-9任一所述的制備方法，其特征在于，步驟2)和步驟3)中，所述的分散劑選自聚乙烯醇、草酸、檸檬酸、聚乙烯吡咯烷酮和十二烷基苯磺酸鈉中的一種或多種。
11.如權利要求1-5任一所述的生物活性干凝膠的用途，其特征在于，所述生物活性干凝膠用于制備生物體硬組織的修復或填充材料。
12.如權利要求11所述的用途，其特征在于，所述生物活性干凝膠用于制備人體骨修復或填充材料。
13.如權利要求3-5任一所述的生物活性干凝膠的用途，其特征在于，所述生物活性干凝膠用作藥 物緩釋材料。
全文摘要
本發明涉及一種石墨烯/生物活性干凝膠及其制備工藝與應用。其組分包括石墨烯和生物活性干凝膠，所述生物活性干凝膠包含如下摩爾百分含量的組分CaO25~80mol%，SiO20~70mol%，B2O30~70mol%，P2O52~10mol%；所述石墨烯的含量為0.0024-0.024wt%。本發明將石墨烯引入生物活性干凝膠中，使其礦化時間從正常的7-30天縮短到0.5到5小時；所用的溶膠凝膠制備工藝可以徹底避免高溫合成過程，從而滿足了與藥物、細胞或生長因子復合制成具有骨組織生長促進和治療功能的生物醫用修復或填充材料的要求。
文檔編號A61L27/12GK103143057SQ20111044877
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月6日
發明者丁古巧, 李亞東, 王陳, 謝曉明, 江綿恒 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所