煅烧对溶胶-凝胶法制备玻璃的结构、生物活性和生物相容性的影响

《ACS Omega》：The Impact of Calcination on the Structure, Bioactivity, and Biocompatibility of Sol–Gel-Derived Glasses

生物活性玻璃通过改进溶胶-凝胶法合成，对比36.5℃稳定化与700℃煅烧工艺，发现低热处理BG-RT比表面积达62 m2/g，形成完整羟基磷灰石层，细胞增殖促进效果显著（p<0.05），而BG-700因结晶导致表面性质下降。两者均显示优异生物活性和细胞相容性，BG-700制成的牙膏有效封闭牙本质小管，抑制敏感并促进再矿化。研究验证低温制备BG在骨再生应用中的潜力。

　　本研究围绕生物活性玻璃（Bioactive Glass, BG）的合成及其在牙科领域中的应用展开，重点探讨了不同热处理条件对BG结构和性能的影响。生物活性玻璃因其独特的生物活性和生物相容性，已成为骨组织工程和牙科治疗中备受关注的材料。这类材料在接触生理环境时能够形成类似骨矿物的羟基磷灰石（hydroxyapatite, HAp）层，从而促进与宿主组织的结合，表现出良好的生物活性和骨传导性。此外，其可降解性使得生物活性玻璃在体内能够逐渐被代谢，进一步增强了其在医学领域的应用潜力。

研究中采用了一种改良的溶胶-凝胶法合成BG，并引入了气相二氧化硅作为硅源。通过两种不同的热处理方式：一种是在36.5°C进行稳定处理，另一种是在700°C进行煅烧处理。结果显示，稳定处理后的BG样品呈现出非晶态结构，而煅烧处理则导致了碳酸钙（calcite）晶体的形成。这表明，不同的热处理过程会对材料的微观结构产生显著影响，进而改变其物理和化学特性。

在表面特性方面，氮气吸附-脱附分析显示，稳定处理的BG具有较高的比表面积（62 m2/g），而煅烧处理后的BG比表面积下降至32 m2/g。比表面积的变化与材料的孔隙结构密切相关，煅烧处理不仅减少了孔隙体积，也缩小了平均孔径。这一现象在文献中已有报道，表明高温处理会促使材料内部结构更加致密，从而降低了其表面积和孔隙率。尽管如此，两种样品在生物活性方面均表现出良好的性能，能够通过浸泡在模拟体液（Simulated Body Fluid, SBF）中，在24小时内形成羟基磷灰石层，这一结果通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）得到验证。

为了进一步评估BG的生物相容性，研究者还进行了细胞活力实验，使用人角质形成细胞（HaCaT）作为模型细胞。结果显示，BG样品在1、4和7天的培养过程中均表现出较高的细胞活力，甚至在某些情况下优于对照组。这表明，无论是稳定处理还是煅烧处理的BG，其表面特性都具有良好的细胞亲和性，能够促进细胞的生长和增殖。这一特性对于开发具有生物活性的牙科产品尤为重要，因为它意味着材料能够与人体组织良好结合，减少炎症反应，提高治疗效果。

此外，研究团队还开发了一种含有3%（w/w）煅烧BG的牙膏，并用于评估其对牙本质敏感性的缓解效果。实验结果显示，该牙膏在2和4天的治疗过程中，能够有效封闭牙本质小管，并表现出良好的再矿化潜力和细胞相容性。这一结果不仅验证了BG在牙科应用中的可行性，也展示了其作为生物活性材料在实际产品中的转化潜力。相比市售的脱敏牙膏（如Sensodyne Rápido Alívio），该实验牙膏在封闭牙本质小管和促进牙本质再矿化方面表现出更优异的性能。

在材料特性方面，研究团队通过多种分析方法对BG样品进行了深入研究。XRD分析显示，稳定处理的BG样品保持非晶态结构，而煅烧处理的样品则出现了碳酸钙的晶体峰。这表明，煅烧处理能够诱导材料内部结构的变化，形成特定的晶体相。同时，FTIR分析揭示了BG样品在不同处理条件下的表面化学变化。例如，稳定处理的样品在800 cm?1处出现了硅醇（Si–OH）的特征峰，而煅烧处理的样品则在876 cm?1处出现了碳酸钙的特征峰。这些化学变化进一步说明了不同热处理条件对材料表面化学性质的影响。

热重分析（TGA）结果显示，煅烧处理的BG样品在低温度范围内（20–130°C）的失重比例显著低于稳定处理的样品。这表明，煅烧处理能够有效去除材料中的物理吸附水和残留溶剂，提高其热稳定性。然而，煅烧处理也导致了材料的热稳定性降低，尤其是在高温区间（420–840°C）出现了明显的失重，这与碳酸钙的分解有关。这些热行为的变化反映了材料在不同处理条件下结构的差异，也为后续的生物活性和应用性能提供了理论依据。

在牙本质处理方面，研究团队使用了牛牙作为实验对象，并通过酸蚀诱导牙本质小管的暴露。随后，将不同处理的BG牙膏应用于牙本质表面，并在人工唾液中进行浸泡处理。结果显示，经过4天的处理，实验组的牙本质小管出现了明显的封闭现象，而对照组则没有发生显著变化。这表明，BG具有良好的封闭牙本质小管的能力，能够有效缓解牙本质敏感。同时，Raman光谱分析显示，经过处理的牙本质样品在960 cm?1处出现了磷酸盐的特征峰，进一步支持了羟基磷灰石的形成。

从整体来看，该研究揭示了不同热处理方式对生物活性玻璃性能的影响。稳定处理的BG在保持非晶态结构和高比表面积方面表现出色，而煅烧处理的BG则在结构稳定性方面有所提升，但同时也导致了表面活性的下降。然而，无论哪种处理方式，两种BG样品在生物活性和细胞相容性方面均表现出良好的性能，表明它们在生物医学应用中具有广阔前景。这一研究不仅为生物活性玻璃的合成和应用提供了新的思路，也为开发具有更好性能的牙科产品提供了理论支持和技术基础。