材料成型及其控制工程专业毕业论文—生物玻璃尿囊素复合材料降解性研究08326.doc

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1、 本 科 毕 业 论 文题 目 生物玻璃/尿囊素复合材料降解性研究 学 院 工业制造学院 专 业 材料成型及其控制工程 学生姓名 学 号 年 级 指导教师 职 称 2013年 6 月 1 日生物玻璃/尿囊素复合材料降解性研究专 业： 学 号： 学 生： 指导教师： 摘要：生物玻璃是一种可以修复人体软组织，替换人体关节的医用生物材料。能够作为医用生物材料既要满足生物力学相容性和良好的力学性能要求，还必须具有生物活性在植入生物体后，能与组织相融合，并在一段时间内降解为机体构造或者机体组织。尿囊素作为美容护肤产品具有很好的抗菌性和修复损伤皮肤的功能。两者的复合材料能兼具生物活性和修复皮肤组织的双重功

2、能。由于降解性在很大程度上反映了材料的生物活性，本次课题通过模拟体液浸泡实验来考察两种材料复合后降解性的变化。实验数据表明生物玻璃尿囊素样品降解性比生物玻璃样品降解性更好，生物活性更强。生物玻璃尿囊素复合材料有望作为敷料进行皮肤损伤的修复。关键词：生物玻璃;尿囊素; 生物活性；降解性；修复皮肤Research on Degradability of Bioglass-Allantoin Composite MaterialSpecialty：Material Forming and Control Engineering Student Number：Student： Supervisor:

3、Abstract ：Bioglass can repair the human body tissue, its a kind of substitute medical biomaterial for joint. As a medical biomaterial, it should not only meet the requirements of the biomechanical compatibilities and good mechanical properties, but also have a biological activity that once its impla

4、nted into organisms, it can integrate with organization, and degrade into body structure or tissue in a period of time. As a beauty and skincare product, allantoin performs well in antimicrobial and repairing skin damage. The composite material of them has a double function of biological activity an

5、d repairing skin tissue. Since degradability largely reflects the biological activity, the changes of degradability of these two materials after compounded are studied by simulating body fluid immersion experiment in the subject. Experiment data shows that bioglass-allantoin sample has better degrad

6、ability and stronger biological activity than bioglass sample. Bioglass-allantoin composite material can be used as a dressing to repair skin damage.Key words: bioglass, allantoin, biological activity, degradability, skin repairing 目 录1 绪论11.1生物玻璃简介11.1.1 生物玻璃的组成和结构11.1.2 各种类型的生物玻璃21.1.3 生物玻璃的活性31.1

7、.4 生物玻璃的制备61.1.5 生物玻璃的前景展望81.2尿囊素简介101.2.1 尿囊素的组成、性质和用途101.2.2 尿囊素的合成方法111.2.3 尿囊素的研究进展131.3 生物玻璃/尿囊素复合材料141.3.1 医用生物材料的特殊要求141.3.2 复合材料的降解性和研究意义152 实验162.1 生物玻璃和尿囊素材料的选取162.2 溶解尿囊素162.3 加入生物玻璃制备复合材料162.4 胶黏原理和胶黏剂的选择162.4.1 粘结原理162.4.2 粘结剂的选择182.5干燥、压片182.6配置模拟人体体液SBF溶液182.7 浸泡实验192.8实验注意事项193 结果与分析

8、213.1热搅拌实验结果213.2浸泡实验结果213.3 实验结果分析224 实验结论23参考文献24致 谢251 绪论1.1生物玻璃简介1.1.1 生物玻璃的组成和结构生物玻璃是由SiO2、Na2O、CaO、P2O5等氧化物组成的玻璃系列，生物活性玻璃一般为Ca0Si02一P205系统，部分含有Mg0、K20、Na20、A1203、B203、Ti02等，成分含量如下表：表 1-1 生物活性玻璃的组成1成分MgOCaOSiO2P2O5B2O3Al2O3Na2O其它比例0-5%10%-30%40%-60%2%-8%0-10%10%-35%10%-35%0-5%表 1-2 不同生物玻璃的化学组成2

9、组成45S5生物玻璃陶瓷稳定玻璃镁铝钙钙磷钙磷硅钙铝磷钙铝磷硅其它SiO243-4540-5030-3543-52-34-2-3.3819-52P2O56-5710-157.5-12-6316.367.8665.684-24CaO23-245-103.5-7.5-1-K2O24-1730-3525-30-3544.920.2219.923-10MgO-3-50.5-2-0.2-5-15Al2O3-2.5-51-2.511-140.954.6-12-32TiO-5-1525-31-11.9211.02-Ta2O5-0-58-12-CaF2-5-15-0.5-F-0-20.05-0.5-7 璃网络

10、中非桥氧所连接的碱金属和碱土金属离子在水相介质存在时，易溶解释放一价或二价金属离子，使生物玻璃表面具有溶解性，即为玻璃具有生物活性的基本原因。所以非桥氧所占比例越大，玻璃的生物活性越高，其结构特点如下： (1)基本结构单元磷氧四面体中有3个氧原子与相邻四面体共用，另一氧原子以双键与磷原子相连，该不饱和键处于亚稳态，易吸收环境水转化为稳态结构，表面浸润性好。(2)随碱金属和碱土金属氧化物含量增加，玻璃网络结构逐渐由三维变为二维、链状甚至岛状，玻璃的溶解性增强，生物活性也增强。向磷酸盐玻璃中引入A13+、B3+、Ga3+等三价元素，可打开双键，形成不含非桥氧的连续结构群，使电价平衡、结构稳定、生物

11、活性降低。 普遍含有磷、钙的氧化物，部分含有SiO2、MgO、K2O、Na20、A1203、B2O3 、TiO等，形成络阴离子SiO4、PO4和其聚合成群；其聚合程度、络合物阳离子含量、种类及其比例等决定磷酸盐或磷硅酸盐陶瓷的结构及其稳定性。当含有碱金属及碱土金屑氧化物是以离子形成存在于络阴离子群间隙中，在有水、酸等介质存在时，易被溶出，释放一价或二价金属离子，使陶瓷表现有限溶解性，此为生物活性的基本标志之一其结构特点如下：(1)其中玻璃相形成范围大可引入大量群外阳离子，随着引入量增加，其结构由暮维逐渐变为二维链状甚至岛状的不被平移复原的络阴离子群。群外体决定于可溶性3；(2)基本结构单元PO

12、4中有三个氧原子与相邻四面体共用，另一氧原子以双键与磷原子相连，该不饱和键处于亚稳态，易吸附环境水，转化成稳态结构，表面浸润性好3。1.1.2 各种类型的生物玻璃生物玻璃根据结构可将生物活性玻璃分为玻璃态和结晶态两大类：前类以Hench教授在1972年开发的Bioglass45S5和s45PZ为代表，玻璃成分的系统为Na2O-CaO-SiO2-P2O5。此类玻璃生物活性高，可与组织形成化学键合，但抗折强度低，只有7080MPa，不能用于关节及负重骨等负重部位，但可以埋在拔牙后的牙槽骨内，防止牙槽骨萎缩，以及用于中耳锤骨等。结晶态生物活性玻璃以1983年小久保正教授开发的Aw微晶玻璃为代表，商品

13、名为Cerabone西。它的基本成分为MgO-CaO-P205一Si02，玻璃经过热处理后析出羟基磷灰石和硅灰石晶相。A_W微晶玻璃具有比人骨还高的机械强度，与骨类似的断裂韧性和好的生物活性，能与骨组织很好地结合，但材料几乎不降解。可作为椎体及肋骨等置换材料，在日本已有五千例以上的临床应用，是目前临床应用最为成功的生物微晶玻璃。在德国，Vogel教授也同时开发了商品名为“Ceravital”的Na20-K20-MgO-CaO-P2O5一Si02为基本成分的微晶玻璃，但此类玻璃的力学强度和生物活性略低于A_W微晶玻璃。在熔融法制备的生物玻璃体系中，当Si02(mol)60时，生物玻璃的活性几近为

14、无。而溶胶一凝胶法在生物玻璃制备上的应用则突破这一限制。实验发现，即使Si02含量高达80(mol)，生物玻璃77S仍具有生物活性。多孔生物材料有利于细胞的黏附、增殖和类骨细胞间质的形成。当其孔径大于1501am并相互连通时，组织能长入其中。因此相对于密实材料，多孔材料植入体与组织具有更大的接触面积，能够承受更复杂的应力状态，但多孔材料强度较低。以当前生物玻璃中强度最高的AW生物玻璃陶瓷为基质可在保证足够强度的前提下制备出更高气孔率的多孔生物材料。泡沫体浸渍浆料法制备的多孔AW生物玻璃陶瓷可应用于骨修复、生长因子载体和活性义眼座，但制备的多孔材料形状受限制，且成分密度不易控制。如前所述，多孔玻

15、璃陶瓷在瓣!中处理后，其表面产生HCA层，可以吸附胶原蛋白、骨细胞，从而促进骨组织与植人体的结合。在制备多孔材料的众多方法中，采用添加成孔剂法最能够控制气孔率和孔径，但由于成孔剂在压制过程中的体积变化，导致多孔材料的强度不高，并且添加成孔剂法制备的材料气孔率不大于50。华东理工大学以AW高强度致密生物活性玻璃陶瓷材料组成为基础，通过采用添加受压产生弹性变性的刚性成孑乙剂和受压产生塑性变性的塑性成孔剂，制备出了孔径为200600#m、气孔率可控的多孔玻璃陶瓷，气孔由成孔剂热解排除形成的球形宏观孔和玻璃粉体烧结不致密形成的微观孔组成。宏观孔生物玻璃成分为45%Na2O、25%CaO与25%SiO2

16、和约占5%P2O5组成。若添加少量其他成分，如K2O、MgO、CaF2、B2O3等 ， 则可得到一系列有实用价值的生物玻璃。用这种玻璃来造人体骨比某些金属要优越的多。1.1.3 生物玻璃的活性生物活性玻璃 是一种具有特殊组成和结构的硅酸盐玻璃材料，由美国佛罗里达大学Hench教授在1969年研发出来的。具有与骨组织形成化学性结合能力，与骨组织和软组织均有良好的结合能力，在植入体内后生物活性玻璃表面即与体液发生离子反应，最终在玻璃表面形成类似骨中无机矿物的低结晶度碳酸羟基磷灰石层(HCA)，因化学组成与生物体的骨骼相似，容易与周围的骨骼形成牢固的化学键合即骨性结合，具有优良的骨诱导性、骨传导性及

17、生物相容性。生物玻璃具有生物活性的原理：1.1.3.1 生物玻璃的表面反应机理 生物玻璃植入体内后，表面溶解并形成类骨磷灰石层是其与骨形成结合的根本原因，本质上是一个发生在植入体表上的依赖时间的动力学过程。生物活性玻璃与骨结合过程大致包含11步反应。其中前5步反应并不需要人体组织的参与，可以发生在模拟体液、三羟甲基氨基甲烷缓冲液甚至是蒸馏水中；而随后的反应则是细胞与玻璃的协同作用。 +SiOH在界面处形成 缩聚反应SiOH+SiOHSi一0一Si 形成无定形相Ca2+Poi一+cog一碳酸羟基磷灰石(HCA)晶体 HCA层表面吸附生物基团巨噬细胞作用干细胞吸附干细胞分化生成基体基体结晶化4。1

18、.1.3.2 生物玻璃与细胞的协同作用 生物玻璃植入后与骨的融合依靠骨原细胞的黏附和增殖以及细胞间质的形成与矿化，而体内的生物分子和细胞影响着玻璃的表面反应，体外模拟人体体液浸泡实验和细胞培养实验可模拟体内各种物质对生物玻璃和细胞间作用的影响。不少研究发现，在体外实验中加入血清会减缓结晶磷灰石层的生成速度；许多生物分子，包括氨基酸、糖类和体内物质(如焦磷酸盐)都会减缓HCA层的形成并影响矿化，原因可能为：蛋白和磷灰石晶格反应干扰了晶体生长；溶液中Ca2+与带负电荷分子的螯合作用降低了溶液中Ca2+的浓度并提高了Ca2+在Si溶胶层上的沉积，使之低于结晶磷灰石(cHA)形成所需的浓度或降低饱和度

19、；但在生物玻璃基质上培养细胞时，血清中纤维粘连蛋白能增强成骨细胞的黏附和活性，产生更多的细胞间质，调节cHA的生成并加快cHA形成速度。通过系统研究使用Tris缓冲液时不同生物分子对45S5玻璃表面反应的影响，发现单独使用Tris缓冲液，玻璃表面很快生成结晶HCA层；加入血浆电解液或血清时，结晶HCA层的生成速度大为减缓；AWGC的试验结果也类似，初期血清会吸附在玻璃表面形成的硅溶胶层上，经过长达7d的浸泡，玻璃表面形成主要由Si形成的内层和富Si、Ca和P形成外层。不久前，上海一个医院从狗腿上取下一段关节，再换上一种玻璃制成的关节代替。几个月后，把玻璃关节取下时，玻璃关节与血管、神经都出乎人

20、们意料地结合得很好。后来，在人体上进行了试验，效果相同。这种制造关节的特殊材料，就是玻璃王国中的一颗新星生物玻璃。 生物玻璃是将孔径75埃(1埃等于1o毫米)的微孔玻璃用合成树脂(氨丙基三乙氧基硅烷作结合剂)制得烷基胺微孔玻璃。由于它能以多种方式与生物催化剂酶偶联，制成固定化酶，所以叫做生物玻璃4。 生物玻璃关节是采用微晶玻璃制成的，用它作为人造关节，不仅强度理想，而且能与生物体中的细胞、骨骼很好地结合在一起。这是由于生物玻璃表面上有许多不饱和硅氧键。硅氧键可与细胞中的钙结合形成硅钙键，也可和细胞中钾结合形成钾钙键。这些键像“铁链”似的把不同元素紧紧拴为一体，所以人造的关节能与相邻或相联结的原

21、生物体的神经、血管中的细胞及骨骼很好因每个人或动物的关节形状都不相同，要根据关节形状来加工，所以就研究了锂云母类型的微晶玻璃，它熔化的料可以浇铸成型，成型后再用金属刀具进行加工。这种人造关节与生物体能很好地吻合，并长得牢固，使病人免去了许多痛苦，这是不锈钢关节望尘莫及的。 生物玻璃还可用来做人造牙齿。过去人们的牙掉了，唯一的办法是安假牙齿，但假牙齿对冷热没有感觉，而且每天刷牙时，还得取下来，很麻烦。自从生物玻璃问世后，牙科医生经研究，采用了它来处理拔下来的牙齿，然后加以重植。这种人造的牙齿，能像真牙一样“活”起来。亨特教授曾把这种生物玻璃做成猴子大腿骨，植入猴子体内，经过一定时间。后来又从猴子

22、体内取出大腿骨进行观察，发现再生的骨细胞已经长入生物玻璃骨内的网状结构内，混成一体。经力学实验证明，这种人造骨比原骨要结实得多。生物玻璃之所以适用，原因是它的配料成分是仿生的，经过配料进行化合反应后，会生成一种新成分叫羟基磷酸钙Ca5(PO4)3(OH)。这种成分就是人和动物的骨头的构成成分。最初，发明生物活性玻璃的目的是为了获得更好的骨植入材料。其它材料如钛、陶瓷和聚合物等都会被身体的免疫系统视为异体而最终遭到排斥。然而，生物活性玻璃却能与人体组织相容，并与硬组织和软组织结合。 在医学研究中，几十年的毒理学研究已证明，生物活性玻璃具有极强的生物适应性。如今，生物活性玻璃已被全世界公认为适合永

23、久植入和组织愈合的材料。对于化妆品而言，生物活性玻璃的这一独特适应性完全适用于皮肤，并已通过几项长期和短期的人体皮肤斑贴试验得到了一再的证实。从化学角度来说，生物活性玻璃为非晶结构（如同所有玻璃），仅包含人体中存在的硅、钙、钠、磷和氧元素。植入人体后，生物活性玻璃能在其表面形成与天然骨成分相近的矿物基质。研究表明，生物活性玻璃实际上可刺激骨组织，修复细胞并造出新的骨组织，因此可加速愈合进程。如今，医生可购买粒状生物活性玻璃，用于骨头修复和皮肤创面愈合。最近几年来，人们还发现生物活性玻璃具有以下特性:（1） 抗菌作用经证明，生物活性玻璃具有良好的抗微生物性能，可抵御多种细菌、真菌和酵母菌，如黑曲

24、霉菌、绿脓杆菌和结膜干燥棒状杆菌等等。 （2） 消炎作用根据医学研究显示，生物活性玻璃可减少主要的发炎症状。例如，在化妆品领域中，试验结果显示，生物活性玻璃可减少紫外红斑的生成。 （3） 矿物强化作用只需少量水即可诱导生物活性玻璃发挥其矿物强化作用。这会促使矿物质的释放，尤其是钙和钠的释放，这两者可与毛发和指甲结合。 （4）抗氧化作用作为一类新的活性成分，细粒粉末状的生物活性玻璃已在体外细胞系统（如角化细胞（HaCaT 细胞）中表现出明显的抗氧化作用。由于其独特的矿物和无机特性，此类活性成分对光和极端温度并不敏感，可适合用于个人护理品中作为抗氧化活性物质。1.1.4 生物玻璃的制备熔融法熔融法

25、是制备生物玻璃最常用的办法之一，采用该方法制备的生物玻璃密实无孔、比表面积小。熔融法的一般制备工艺是将原料混合均匀后，在千摄氏度以上的高温下熔融成玻璃液，保温一段时间后淬冷，得到成品。熔融法制备工艺简单、易于大规模生产，但是通过熔融法制得的生物玻璃，其组成范围和生物活性都受到一定的局限，因为高温容易使配料中的磷等元素挥发、使其成分的控制难以精确，而且玻璃的高温熔制容易导致Si-OH官能团的减少，且得到的生物材料中Ca2+的溶解性能相对较低，这些因素都会降低材料的生物活性。另外制备反应温度也比较高，能耗较大。 溶胶-凝胶法近年来，溶胶-凝胶技术已成为制备新材料的重要方法。不同于传统的熔融法制备的

26、生物活性玻璃，溶胶-凝胶生物活性玻璃(sol-gel derived bioactive glasses，SGBG)是由大量的粒径为几十纳米的微球组成，微球堆积间隙形成均匀分布的微孔，孔径分布在几纳米到几十纳米。虽然溶胶-凝胶工艺过程若干机制尚未清楚，但典型的溶胶-凝胶反应通常包括两个步骤：（1）烷氧基金属有机化合物水解成羟基化合物；（2）羟基化合物缩合及缩聚过程。溶胶-凝胶法制备生物活性材料的原料非常丰富，有硅溶胶、硝酸钠NaNO3、磷酸 H3PO4 、正硅酸乙酯Si(OC2H5)4 、四水硝酸钙Ca(NO3) 24H2O 等。图1-1 溶胶-凝胶法原理图5SGBG-8 的化学组分为：60S

27、iO2 ，36CaO，4P2O5 (mo1)，将一定量的正硅酸乙脂、硝酸钙和磷酸三乙脂，盐酸为催化剂，按照一定比例依次将每种原料加入烧杯后搅拌制成均匀溶液，在室温下陈化，形成凝胶。将凝胶分别置70和150干燥，将得到的凝胶块在600的箱式电阻炉内热处理，在玛瑙研钵内研磨，得到白色生物玻璃粉末SGBG。工艺流程包括：溶胶的制备、溶胶-凝胶转化、凝胶干燥等步骤。缩聚过程可形成二氧化硅(SiO2)无机网络，水和醇的挥发造成网络的多孔性，使其具有较大的比表面积。高的比表面积和均匀分布的微孔有利于提高材料的化学反应活性和降解速度，形成较多的羟磷灰石矿物的成核位以及改善材料的组织细胞亲和性，促进有利于新骨

28、生长的各种胶原、蛋白物质及骨细胞的附着。图1-2 生物玻璃的制备流程51.1.5 生物玻璃的前景展望1.1.5.1 国内外现状 生物医学材料包括人工骨植入材料的发展，在世界范围内受到高度的重视。据统计资料表明，2000年时，除口腔种植和修复外，全世界植入材料和其他修复体的患者已达5 000万人，目前生物材料和制品的世界市场正以每年1596-30的速率稳步增长。20世纪90年代初世界外科植入材料和制品产值已达到1 000亿美元，20年内所占市份额将赶上药物市场，并将发展成为21世纪国民经济的一个支柱性产业。我国人工骨植入材料的应用具有悠久的历史。而作为生物活性人工骨材料的开发却起步较晚，始于20

29、世纪80年代。经过20多年的努力，我国人工骨材料的制作及临床应用水平方面，与国外的差距正在迅速缩小。以羟磷灰石、生物活性玻璃陶瓷制作的人工骨材料，以生物活性陶瓷一钛制作的复合人工骨材料都在临床应用中获得成功，且在骨诱导材料的研究与开发方面取得进展。在临床应用方面正不断扩大新的应用领域，除口腔的种植与修复而外，还在骨外科、眼科、脑外科、美容等方面进行探索。 人工骨材料用于硬组织的修复，达到器官功能重建的目标，是一个涉及多种学科的跨学科研究，也是生物医学工程研究领域中的前沿课题。在新型人工骨材料及其制作工艺，生物医学基础及其临床应用等方面都还面临许多亟待解决的难题有的甚至是难于克服的难题6。1.1

30、.5.2 当前国内外关于生物玻璃陶瓷的研究开发工作 (1)高强度、高韧性研究玻璃陶瓷与普通陶瓷相比，在微观结构、组分上存在较大的差异。陶瓷的组成范围很广，而玻璃陶瓷系由玻璃经微晶化处理之后而形成。因玻璃有一定的生成范围，其组成范围相对较窄。但生物活性陶瓷如羟磷灰石、磷酸钙等与生物活性玻璃陶瓷相比，前者仅由CaO及P2O5经物理化学变化制作而成，钙、磷摩尔比固定于15167的范围内。后者则除CaO、P2O5之外，尚含有其他成分，如SiO2、MgO、B2O3、Aa2CH等，通过调整其相对比例，可制作出不同理化性能、生物学性能的生物活性玻璃陶瓷。为进一步增加强度，增强韧性，常将生物活性玻璃陶瓷与金属

31、、金属纤维、高技术陶瓷纤维复合，与ZnO2复合，形成复合结构。由于玻璃在高温时黏度降低，具有一定的流动性，极易湿润复合材料界面而牢固地黏合在一起，达到增加强度，增强韧性的目的6。 (1)微观结构设计 玻璃陶瓷的强度不仅受化学组分、析出晶相的种类及相对体积、晶粒大小的影响，而且与晶体的排列方向有关。在可铸造陶瓷及人工关节、人工长骨的制作中，为模拟羟磷灰石微晶在骨组织中的排列分布特征，开展玻璃在微晶化中晶体的定向生长有重要价值。(2)骨诱导性 生物活性陶瓷只具有骨引导作用，甚或具有骨诱导性能。为使其在其植入区有大量的新生骨组织形成，促进骨缺损区获得完整的骨修复，应进一步开展骨生长因子、骨形成蛋白与

32、玻璃陶瓷的复合，着重研究这些蛋白质与陶瓷的复合方式，陶瓷的支架及载体作用，蛋白质与陶瓷界面的相互影响与作用等7。 (3)寿命预测生物活性玻璃陶瓷作为植入材料，其在体内面临着一个复杂的生物化学环境。在应力状态下，植入材料将遭受生理侵蚀和应力疲劳。植入材料在体内的寿命成为一个令人关注的问题席用现代科学技术模拟体内环境建立植人材料寿命预测评价体系有雷要的科学意义和临床应用价值7。 (4)临床应用 在现有基础上，利用现代科学技术，提高临床应用水平，扩大临床应用范围，是使生物活性陶瓷人工骨材料成功应用于硬组织器官的修复、重建生理功能的重要保障。 (5)临床应用中的可调改性生物陶瓷质地坚硬、脆性大，经热处

33、理成型后而具有固定形态。由于个体及缺损部位、形态等的差异，在临床修复时，对材料形态提出了不同的要求，往往需对其进行调改。生物陶瓷的可调改性成了决定应用范围及修复效果的重要因素。因而良好的形态适应性及可调改性成为材料研究中的重要内容。1.2尿囊素简介1.2.1 尿囊素的组成、性质和用途1.2.1.1 尿囊素的组成 尿囊素，英文名称为Allantion，属于咪唑类杂环化合物，有两种互变异构体，通常条件下以酮式结构存在。分子式为C4H603N4。，相对分子质量为15812。尿囊素化学名称有多种，可称为1一脲基间二氮杂戊烷二酮一2，4，或称作(2，5一二氧代一4一咪唑烷基)脲、(2，5一二晤茂一4一间

34、二氮杂环戊基)尿素、乙醛基四氮杂戊脲二酮，还可叫做5一脲基海因8。1.2.1.2 尿囊素的性质尿囊素是一种无色至白色的晶体或晶体粉末，无臭、无味，熔点范围为228235(取决于结晶条件和测定方法)，熔融时有少量分解。可溶于热水、稀乙醇、丙三醇和碱性溶液，难溶于无水乙醇、乙醚和氟仿等有机溶剂，微溶于冷水(1：190)，随着温度提高，溶解度显著增加，在沸水中约为1：25，相当于4 g100 mI。其饱和水溶液(约为06，常温)呈微酸性，pH值456，在pH值49的水溶液中能保持稳定。在非水溶剂中及干燥空气中电保持其稳定性，即使在8090下受热30 min似无变化，但经不起较高温度长时受热，在水中长

35、时间煮沸或在强碱中则被破坏在日光、紫外线照射下也不稳定。尿囊素存在于多种植物体内及人和一些哺乳动物的排泄物中，如胚胎、胎儿尿以及植物土青木香根、倒提壶草、紫藤花、雏菊根等，特别是正在发芽的植物种籽中(麦粒、甜菜、烟草籽等)，因最早是在牛的尿囊液中发现而得名。尿囊素是正在发展中的精细化工产品，市场需求与供给不平衡，供不应求，需进口满足国内市场需要8。1.2.1.3 尿囊素的用途尿囊素具有促进细胞生长，加快伤口愈合、软化角质层蛋白、有助角质蛋白分子亲水、促进肌肤和毛发表层的吸水以及刺激生物生长等生理功能，本身具有无毒、无刺激、无过敏反应等特点，因而尿囊素在医药、化妆品行业得到广泛重视和应用。这些年

36、又发现它是一种植物生长调节剂，国内将之用于小麦、大豆能促使增产。尿囊素可与某些物质反应，形成加成物或金属盐，这些金属盐和加成物不仅能保持尿囊素原有一切特性，并且也具有被结合物的固有特性，可以制成许多效能独特的衍生物，尿囊素用途日趋广泛9。（1）医药品尿囊素是一种多功能药物：既可直接使用，也可作添加剂，医治各种皮肤病，例如银屑病、皮炎、皮肤干燥症等以及用作抗溃疡药物，还用于治疗糖尿病、肝硬化、骨髓炎和癌症等。（2）化妆品尿囊素作为化妆品新原料，用于唇膏、护发、护肤用品，可以促进肌肤组织亲水、吸水能力提高并防止水分散失，防止毛发枯燥、断裂，使肌肤丰满、有弹性和富有光泽。（3）农用品尿囊素可作为植物

37、生长激素，施用于小麦、水稻、大豆、蔬菜、柑橘等，具有固果、催熟作用，促使作物增产；同时也可添加在各种复肥、微肥等肥料中使用。是一种很好的肥料添加剂。（4）尿囊素衍生物 尿囊素的金属盐和加成物最重要的有下列几种：醇溶性氯羟基尿囊素铝、尿囊素半乳糖醛酸、尿囊素蛋白质复合物、尿囊素消旋潘多醇、氯羟基甘氨酸尿囊素铝、尿囊素银、尿囊素对氨基苯甲酸、磺胺咪啶囊素聚半乳糖醛酸等，都用在医药和化妆品中，由于尿囊素的复合，改进了原药物之不足，提高药效。例如尿囊素与防晒剂对一氨基苯甲酸的加成物，既保持对一氨基苯甲酸的吸收或滤除日光中波长在2 8003 200A的“红斑红外线”、防止“日光过敏”皮肤病的特点，又有尿

38、囊素润肤、镇痛作用，且克服了对一氨基苯甲酸对皮肤有变态性反应的弊端；与水杨酸的复合物保持水杨酸原有消毒、解热、镇痛作用，又消除了水杨酸对皮肤的刺激，提高了效果；与维生素C的复合物、与甲醛的缩合物等无不表现出双重作用6。1.2.2 尿囊素的合成方法国外早在20世纪30年代就开始研究用化学方法合成尿囊素。1971年，日本合成化学工业公司与联邦德国Badisohe苯胺苏打公司同时开发了新的合成路线，反应使用2mol的尿素与1mol乙醛酸在加压加热下直接缩合生成尿囊素。也可以先制成草酸钙，再用盐酸溶解后与尿素反应生成尿囊素。到20世纪80年代初，日本和法国分别实现了工业化生产。我国从上世纪80年代开始

39、研究和开发尿囊素，到90年代已实现了工业化生产，但目前生产厂家较少且规模普遍偏小10。（1）二氯乙酸和尿素加热合成法以尿素和二氯乙酸为原料，经加热制得尿囊素，该工艺流程较长，技术条件苛刻，设备不够简化。以二氯乙酸计，其收率为30%左右。（2）尿酸与高锰酸钾氧化法该法是合成尿囊素较早的方法，它是尿素与高锰酸钾在碱性介质中发生氧化反应，生成物再经脱羧反应制得尿囊素。该法最早由wwwHartman发明，由于存在原料紧张、价格贵、设备体积与物料比值大、成本高等缺点，只限于小批量生产。该法是合成尿囊素的原始方法，已被淘汰。（3） 乙醛酸钙溶解法该法分两步进行，第一步是用硝酸氧化乙二醛，然后再加氢氧化钙制

40、备乙醛酸钙；第二步是乙醛酸钙与尿素反应制得尿囊素。（4）三氯乙醛合成法该法以合成农药敌敌畏的中间体三氯乙醛在胲类催化剂下与尿素分批反应15小时，放置过夜后过滤，精制得产品，收率51%（以三氯乙醛计）。（5）氯乙奠母茛合成尿囊素本法以氯乙酸生产中的母液进行共沸蒸馏处理，再用低碳醇酯化制得混合氯乙酸酯，分离出二氯乙酸酯，与醇钠进行缩合水解，制得乙醛酸，再与尿素反应制得产品，此法比较适合氯乙酸厂家变废为宝。（6）草酸电解还原法该法现国内有厂家采用，能耗高，工艺设备要求严，成本高，收率低。近期，青岛化工学院在该法基础上有了新的研究，在实验室采用无隔膜电解草酸饱和溶液制得乙醛酸，产率52，再与尿素、盐酸

41、反应制得尿囊素，产率达54%。（7）乙二氧化尿素缩合环化法现在国内外工业上普遍采用的是乙二醛氧化一尿素缩合环化法，下面重点讨论该法。乙二醛氧化一尿素缩合环化法分为两步。第一步是将乙二醛氧化为乙醛酸：该方法被普迫采用、最重要的原因是由乙二醛氧化得到乙醛酸要比其他方法容易。第二步是乙醛酸与尿素缩合环化得到尿囊素：第一步乙二醛氧化为乙醛酸，所用之氧化剂有硝酸和过氧化氢。用硝酸作氧化剂反应温度不易控制，严重腐蚀设备，产生氮氧化物污染环境。由于反应温度不易控制，甚至发生暴沸，因而氧化反应难以控制在乙醛酸阶段，而是使两个醛基都被氧化得到草酸。用双氧水作氧化剂要优于硝酸，克服了设备腐蚀、环境污染等缺点。革酸

42、，氧化深度不同，所需之能量也不同。因此研究这一步反应找到适宜的反应温度，并严格控制此温度至关重要，有资料报道，反应温度仅有2Y之差，收率就下降5。目前，这一步反应国内最好水平是收率80。 第二步，乙醛酸与尿素缩台环化得到尿囊素。这一步研究工作集中在催化剂的选择上。进行过研究的催化剂有盐酸、硫酸、磷酸、混酸(硫酸和硝酸或硫酸和磷酸的混合酸)、固体超强酸等。效果较好的是混酸，收率为50左右(以乙醛酸计)。这一步收率低，是尿囊素价格居高不下的主要原因。对这一步反应可做一些基础工作，只有弄清了环合机理，存在哪些副反应等问题以后，再去寻找催化剂，才有望提高收率。 综合以上各种路线，各有利弊，二氯乙酸法关

43、键是乙酸氯化难控制在二氯化阶段，且需无水操作和危险的甲醇钠存在，收串也较低。尿酸法受原料来源限制已被淘汰。乙醛酸钙盐法反应流程长，工艺条件苛刻。三氯乙醒法因催化剂问题还处于小试阶段。尿素乙醛酸法反应条件温和，原料来源广泛，成本低，收率高，该法也是目前尿囊素生产的主要方法。传统的工艺是用硝酸氧化乙二醒制得乙醛酸，此法反应过程简单、设备投资小，但该法设备腐蚀较严重，氧化液中未能转化的乙二醛和无机酸分离较复杂，影响产品质量，常使尿囊素的含量和熔点达不到标准。氯乙酸母液法第一步制备乙醛酸的流程太长是其不足，但对于氯乙酸厂家来说，进行母液综合利用，是员有经济效益的一条路线。草酸电解还原法生产的乙醛酸颜色

44、深，常使尿囊素着色，所以必须对原料进行预处理才能制取高质量的尿囊素。乙二醛氧化尿素缩合环化法是现在国内外工业上普追采用的方法 该方法之所以被普追采用，最重要的原因是由乙二醛氧化得到乙醛酸要比其他方法容易。 1.2.3 尿囊素的研究进展写下尿囊素在生物材料里面的应用，比如用作美容之类的，目前，国内许多科研部门和生产厂家联手，加快了乙醛酸生产技术的开发力度，并取得了一定的突破。其中，有关催化剂的最新研究报道是：华东地质院采用固体超强酸为催化剂，以乙醛酸、尿素为原料，催化合成尿囊素的实验室研究，缩短了反应时间，尿囊素产品收率可提高到63%，且无设备腐蚀及环境污染问题。最近还有关于尿囊素合成第一步反应

45、即乙醛酸的研究报道。因第一步是整个合成工艺的关键，第一步乙二醛转化为乙醛酸的转化率提高了，整个反应收率也就提高了，所以第一步催化剂的选择至关重要。北京工商大学化工学院对此作了研究，以乙二醛和尿素为原料，过氧化氢为氧化剂，采用具有催化和氧化还原双功能的KHCe(P2W、Mo2O )杂多化合物为催化剂合成尿囊素，系统研究了尿囊素的合成条件，整个反应尿囊素收率可达272。国内外尿囊素生产大多采用乙醛酸与尿素直接缩合而成，或以乙二醛、尿素为主要原料氧化合成。河南开封东大化工集团公司2000年4月拟建了以氯乙酸母液为原料制巯基乙酸及尿囊素的合资合作项目。项目投资总额为2900万美元，引进外资2000万美元。该项目主要是利用该公司的氯乙酸母液进行加工处理，充分利用母液中的有效成分，采用高新技术生产附加值高的精细化工产品。此外，四川大学化工学院精细化工研究室开发成功60ta尿囊素先进生产技术。据称，该技术以乙醛酸和尿素为基本原料，工艺条件温和，成本低，收率高。年利润l00余万元11。1.3 生物玻璃/尿囊素复合材料1.3.1 医用生物材料的特殊要求由于人体环境的特殊性，对生物材料提出了一些特殊的要求。主要包括四个方面12：(1)良好的生物相容性生物相容性是指生物材料和人体组织接触后，在材料与组织界面间发生一系列相互作用而最终