纳米核-壳结构生物玻璃-介孔二氧化硅复合材料的制备和生物体硬组织修复应用

Bioactive glass (or bioglass) has been used to repair and regenerate the diseased or damaged hard tissues historically. Recently, it is used as active ingredient in commercial dental care products for remineralization of teeth. Inorganic silica materials which often used as ideal cleaning agents in commercially toothpaste products are a novel kind of efficient drug delivery carriers with good biocompatibility which developed rapidly in recent years. In this proposal, a new class of bioglass-core mesoporous silica-shell materials as stimuli-responsive controlled release systems with functions of cleaning and reminralization of teeth are proposed. We hope to demonstrate that the mesoporous silica-shell could prevent the hydrolysis of the bioglass-core which enables the stability of bioglass in aqueous environment. On the other hand, the bioglass materials could be controlled released to repair or regenerate demineralized or damaged teeth in vitro after the mesoporous silica-shell structures damaged by cleaning teeth surfaces. The biglass-core mesoporous silica-shell materials could be a novel stimuli-responsive (such as cleaning teeth with these materials) controlled-release system with high biocompatibility and chemical/thermal stability. This system would bring a brand new way to design and construct new classes of multifunctional stimuli-responsive controlled-release materials for hard tissues regeneration or restoration.

生物玻璃是一种优良的生物体硬组织修复材料。近年来,生物玻璃广泛地被添加到口腔护理产品中，促进牙齿的修复和再矿化。二氧化硅是牙膏中理想的摩擦剂，也是近年来迅速发展的一类生物兼容性较好的无机载体材料。本项目利用这两种生物活性材料构筑新型"核-壳"结构的多功能、可控释放的生物玻璃-介孔二氧化硅体系。在该体系中，壳层二氧化硅材料可以使生物玻璃材料更加稳定地存在于水相环境中，拓宽生物玻璃的适用范围。另一方面，生物玻璃可以在外层二氧化硅材料清洁牙齿的过程中随着二氧化硅外壳的破损而被释放；释放的生物玻璃材料可以在清洁的牙齿表面进行有效的再矿化修复。我们拟围绕具有良好生物活性的生物玻璃和二氧化硅材料，通过设计合成与构筑多功能的具有可控释放性质的"核-壳"生物玻璃-介孔二氧化硅体系材料，为寻找更加有效的多功能可控释放的生物体硬组织修复材料提供新思路和新途径。

生物玻璃作为一种具有良好生物活性和生物相容性的硬组织修复材料，已经被应用在商业含氟牙膏中，实验证实其可以缓解牙齿敏感促进牙齿再矿化。但是由于生物玻璃本身的水解性，导致生物玻璃材料只能添加到以甘油为溶剂的牙膏中，不但使得含有生物玻璃活性成分的牙膏成本上升，也限制了生物玻璃材料的应用范围。我们发现牙膏中的磨料成分为二氧化硅材料，而二氧化硅材料本身可作为一种优良的载体材料。本研究主要首次合成了一种以介孔二氧化硅为载体的活性生物玻璃材料，采用X射线仪、透射电镜、扫描电镜、红外吸收光谱等手段研究了这种材料的结构和性质，发现：1）生物玻璃材料可以被二氧化硅载体负载与孔道中；2）孔道中的生物玻璃材料由于二氧化硅外壳的存在，阻碍的其在水溶液中的反应，从而延长了生物玻璃材料在模拟生理体液环境中的稳定性，生物玻璃前驱体材料与模拟生理体液反应1个小时就能得到羟基磷灰石，而在介孔二氧化硅外壳的保护下，一直到24个小时左右才检测出羟基磷灰石的出现；3）壳层介孔二氧化硅材料可以在超声的情况下被破坏，从而释放出生物玻璃材料，释放的生物玻璃材料与模拟生理体液发生反应，在2个小时后出现了羟基磷灰石；4）这种核壳结构的生物玻璃-介孔二氧化硅材料可以在超声的情况下，修复脱矿的牙釉质表面。.上述结果表明我们成功地制备了介孔二氧化硅负载的生物玻璃复合材料，并且实现了这种材料的可控释放。但是介孔二氧化硅外壳对生物玻璃材料的保护作用没有理想的实现。生物玻璃前驱体与模拟体液反应一个小时可以观察到有羟基磷灰石生成，虽然介孔二氧化硅外壳可以将反应时间延长至24小时，但是离将这种材料应用在商业用的普通水相牙膏中还有非常长的距离。.但是我们的尝试还是对设计制备新型的可控释放的生物活性材料提供了新的思路。