医用生物活性玻璃的红外光谱分析及其生物活性探讨
医用生物活性玻璃的红外光谱分析及其生物活性探讨
生物医学工程学杂志 1999年第0期第16卷 无机生物材料及有机/无机复合材料组
作者：付 静 陈晓峰 张梅梅 张晓凯
单位：付 静 陈晓峰 张梅梅（山东轻工业学院 无机材料系）；张晓凯（山东师范大学 分
析测试中心）
关键词：生物玻璃；模拟生理溶液；碳酸羟基磷灰石(HCA)；生物活性；红外光谱 摘要 生物玻璃在模拟生理溶液中浸泡，表面生成与人体骨骼无机矿物成分相似的碳酸羟基磷灰石(HCA)［Ca 10(PO4) 6)(2HO，-］，本实验主要应用傅立叶红外变换光谱仪对其进行测定，并辅以扫描电镜(SEM)分析手段，通过体外实验(In Vitro)观察了HCA 的形成
过程及其表面形貌，探讨了生物玻璃的活性机理。
Infro-Red Spectrum Analysis on A Medical Bioactive Glass
and Investigation on Its Bioactivity
1 引 言
生物玻璃的生物活性在于植入人体后，通过一系列表面化学反应，生成碳酸羟基磷灰石(HCA)，与人体活骨组织产生牢固的化学结合，HCA 是衡量材料生物活性的标志。红外光谱
-1-1分析是用来测定HCA 的准确而又快捷的手段。在红外光谱图上，波数在602 cm和560 cm
［1］处的反射峰是HCA 的特征峰，对浸泡不同时间的生物玻璃进行红外光谱分析，根据HCA
特征峰出现的早晚，确定生物玻璃活性的高低。
2 实 验
［2］ 2.1 本实验样品的化学组成(表1) 。
表1 生物玻璃化学组成
生物成玻璃的制备：
2.2 模拟生理溶液的制备
采用分析纯试剂，根据人体细胞外液(血浆) 中各离子的浓度，制得模拟人体细胞外液
(SBF)，如表2。
表2 SBF 溶液及人血浆中各离子的浓度(mM)
2.3 模拟生理溶液的制备
采用分析纯试剂，根据人体细胞外液(血浆) 中各离子的浓度，制得模拟人体细胞外液
(SBF)，如表2。
2.4 红外光谱分析
玻璃在红外区的吸收属于分子吸收，红外光的某一频率与玻璃中分子振动(或相当于分
［3］子大小的官能团) 的本征频率相近或相同引起共振，产生红外吸收。
-1 本实验按玻璃表面积/溶液体积=0.1 cm的比例，将试样浸泡不同时间，取出烘干，利
用Nicolet Avatar 360傅立叶变换红外光谱仪进行测定，得到漫反射光谱。
2.5 SEM 分析
将浸泡不同时间的样品敲击成合乎样品台尺寸的薄片，用5%HF溶液处理10秒，并在TB-5型离子溅射仪上进行喷铂处理，然后在H-800型透射电子显微镜上配有的H-8010型扫
描电镜上做形貌观察。3 结果与讨论
-4-1 随浸泡时间的延长，曲线a 上1060 cm 处Si-O 伸缩振动峰和925 cm 处Si-O-Si 伸缩
振动峰被P-O 伸缩振动所取代，磷酸盐无定形相的P-O 扭曲振动出现；浸泡24 h ，HCA 晶体
-1-1-1出现，表现为602 cm和560 cm左右出现特征峰。波数在480 cm出的Si-O 弯曲振动峰
［4］是衡量HCA 厚度的标志；浸泡36 h 以后，S-O 变曲振动峰消失，说明HCA 具有一定厚度，
并已覆盖玻璃表面。
通过照片可以清楚地看到HCA 形成的全过程及其形貌。随浸泡时间的延长，玻璃表面出现团粒状覆盖层(Ca-P)，继续浸泡，颗粒逐渐长大，覆盖层变厚。36 h后，形成一定厚度的板状HCA 层，玻璃表面完全被覆盖，这与红外光谱分析结果一致。玻璃表面失重，是由于
+2+3-5+4+［5］玻璃中Na 、Ca 、PO 4/P、Si 的溶解而造成的。玻璃表面失重随浸泡时间加长而增加，
最后趋于恒定。
图1 生物玻璃在模拟细胞外液中浸泡不同时间的FTIR 图谱
图2 生物玻璃在模拟细胞外液中浸泡不同时间的SEM 照片
图3 生物玻璃在模拟细胞外液中的重量变化曲线
综上所述，生物玻璃的活性机理可如下描述：
++ 生物玻璃植入体内，玻璃中的Na 与溶液中的H 发生离子交换，生成Si-OH 。H 2O 直接攻
击Si-O-Si 键，导致Si-O-Si 键断裂，生成Si-OH 。Si-OH 团缩合在玻璃表面形成多孔疏松
2+2-5+2+的硅胶层，玻璃中的Ca 、PO 4/P便会通过气孔扩散到溶液中，导致玻璃失重，溶液中Ca 、
3-5+-2-PO 4/P过饱和而在硅胶层上积聚，形成富Ca 、P 层。由于溶液中OH 、CO 3的作用，Ca 、P 层进一步晶化形成含碳的羟基磷灰石(即HCA) ，与人体软、硬组织产生牢固的化学结合。
4 结 论
(1)红外光谱分析，SEM 是鉴定生物玻璃活性的有效手段。
(2)Na2O-CaO-SiO 2-P 2O 5系统玻璃在模拟生理溶液中浸泡，表现出良好的生物活性，可以
用作人体骨骼的修复材料。
(3)HA是衡量材料生物活性的标志，它在与人体软、硬组织结合过程中起关键作用。
参考文献
1 钟吉品. 生理玻璃的研究与发展. 无机材料学报，1995；6(2)∶132
2 Hench LL. Bioceramics:From Concept to Clinic. J Am Ceram Soc, 1991; 74(7)∶
1487
3 西北工业学院主编. 玻璃工艺学. 北京：中国轻工业出版社，p150
4 Wilson J, Hench LL, Greenspan D. Bioceramics, Vol 8∶478
5 陈晓峰等. 可切削生物活性微晶玻璃在模拟细胞外液中的界面行为. 山东轻工业学
报，1992；6(2)∶1