生物活性玻璃/殼聚糖復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

鄒俊東 劉定坤 楊楠 王謎 劉志輝

吉林大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科 長春 130021

隨著生活質(zhì)量的提升，人們越來越重視損傷組織的再生及功能恢復(fù)，陶瓷、聚合物及部分金屬等具有良好生物相容性的材料隨之被重視，并向模仿生物正常組織結(jié)構(gòu)及功能方向快速發(fā)展[1]。但由于損傷和生物組織的復(fù)雜性，單一材料無法取得良好的仿生效果，兩種及兩種以上材料組成的復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，按需匹配，實(shí)現(xiàn)形態(tài)和性能的個(gè)性化定制，可控性縮小了生物材料與正常組織之間的差距，目前以支架、水凝膠、纖維等形式廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[2]。近年來，由陶瓷材料中的生物活性玻璃（bioactive glass，BG）和聚合物中的殼聚糖（chitosan，CS）組成的復(fù)合體表現(xiàn)出優(yōu)越的機(jī)械性能和生物學(xué)性能，從而受到了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的極大關(guān)注。

BG是一種以氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO2）、五氧化二磷（P2O5）為主要成分的生物活性材料，具有良好的生物相容性、生物活性和可降解性。植入體內(nèi)后，BG進(jìn)行不同離子的持續(xù)釋放以及離子交換，誘導(dǎo)骨和血管的再生，促進(jìn)軟硬組織的修復(fù)，同時(shí)發(fā)揮一定的抗菌和炎癥調(diào)控作用[3-4]?；谝陨蟽?yōu)良的生物學(xué)性能，BG已成功應(yīng)用于牙齒、骨等硬組織及軟組織重建，如誘導(dǎo)牙周組織再生、促進(jìn)牙本質(zhì)再礦化、治療牙齒敏感、促進(jìn)骨缺損修復(fù)、傳遞藥物及生物大分子、加快軟組織創(chuàng)口愈合等[3-5]。但BG的機(jī)械性能較差，脆性和變形性使其難以應(yīng)用于負(fù)重區(qū)骨重建，而作為運(yùn)載體亦存在運(yùn)載藥物緩釋效果較差的問題，這些不足均嚴(yán)重制約了其應(yīng)用[6-7]。若能改善以上不足，同時(shí)強(qiáng)化生物活性，BG的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

CS是幾丁質(zhì)脫乙?；玫木€性多糖，具有良好的生物相容性、可降解性、止血、抗菌等特點(diǎn)，故在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，如作為藥物運(yùn)載體、創(chuàng)口敷料、骨及軟骨等組織再生誘導(dǎo)物、血液抗凝劑、抗菌制劑等。但CS也存在諸多缺點(diǎn)，如降解速度過快，運(yùn)載藥物時(shí)藥物突釋，過于柔軟的機(jī)械性能使其不能在外力下維持穩(wěn)定的形狀和接觸界面等（表1）[8-18]。因此，優(yōu)化CS性能是加快其成為出色生物功能材料的重要一步。

BG/CS復(fù)合材料充分利用無機(jī)材料BG的生物活性與三維CS基質(zhì)的柔韌性和支撐性能，兼具兩種組分的優(yōu)點(diǎn)，以支架、粒子、膜、凝膠等形式提供平衡的機(jī)械性能及更好的生物學(xué)性能[11-13]，具有更廣闊的應(yīng)用空間。本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，概括該復(fù)合材料在骨組織工程、藥物及生物活性成分緩釋和種植體表面修飾方面的主要應(yīng)用。

表1 骨密質(zhì)、骨松質(zhì)和BG、CS的機(jī)械性能比較Tab 1 Mechanical properties of cortical and trabecular bone compared with BG and CS

1 BG/CS復(fù)合材料在骨組織工程方面的應(yīng)用

近年來，快速發(fā)展的骨組織工程成為替代骨移植修復(fù)骨缺損的治療手段，支架在其中發(fā)揮著重要作用，理想骨支架應(yīng)具有與骨組織相近的孔隙率和機(jī)械性能，以及匹配的降解率等。BG/CS復(fù)合材料不僅更好地模擬了骨組織的無機(jī)-有機(jī)三維結(jié)構(gòu)，還表現(xiàn)出優(yōu)越的機(jī)械和成骨性能。

對小而不規(guī)則骨缺損，BG/CS復(fù)合材料主要以水凝膠為修復(fù)形式，水凝膠具有良好的可注射性和形態(tài)可塑性，但機(jī)械性能較差，探尋可注射性和機(jī)械性能之間的平衡點(diǎn)是目前研究熱點(diǎn)[16]。有學(xué)者制備了BG/CS/明膠均質(zhì)水凝膠，發(fā)現(xiàn)隨著BG的加入，水凝膠的最大注射力和彈性模量增加，膠凝時(shí)間縮短，并可在生理溫度和pH條件下實(shí)現(xiàn)溶凝轉(zhuǎn)換[11]。此外，Khoshakhlagh等[19]通過制備不同BG/CS配比的水凝膠證實(shí)，隨著BG含量的增高，水凝膠的注射阻力增加，同時(shí)溶脹率下降，這與BG-CS之間強(qiáng)相互作用和親水基團(tuán)形成氫鍵的總量減少有著一定聯(lián)系。而體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，BG可降解產(chǎn)生堿性產(chǎn)物以平衡CS所造成的酸性微環(huán)境，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和黏附，加快大鼠脊椎骨再生。當(dāng)BG/CS以7：3復(fù)合時(shí)，水凝膠呈現(xiàn)最大的注射力和最強(qiáng)的成骨及骨結(jié)合能力。目前，對在何種BG/CS配比下水凝膠的可注射性和機(jī)械性能均達(dá)到極致尚無定論，該研究仍處于探索階段。

對大段和負(fù)重區(qū)骨缺損，BG/CS主要以復(fù)合支架形式加快骨再生，具有更好的機(jī)械和生物學(xué)特性。Zeeshan等[12]將BG和氧化鋅包載于羥丙基甲基纖維素與CS交聯(lián)的基質(zhì)中，制備了含不同比例BG（0、100、200和300 mg）的復(fù)合支架，隨著BG濃度的增加，支架孔壁變得更厚而均勻，表面更致密，降解速率也隨之降低。同時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度得到改善，抗壓強(qiáng)度達(dá)0.451 MPa，最大變形達(dá)35%。但研究也發(fā)現(xiàn)，過量BG會(huì)使孔隙不規(guī)則，降低機(jī)械強(qiáng)度。綜合來看，包載200 mg BG的復(fù)合支架有最適宜的孔隙率、孔徑和機(jī)械強(qiáng)度。許多學(xué)者也認(rèn)為BG與CS的比重會(huì)影響支架微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)BG與CS以1：1混合，支架表現(xiàn)出最強(qiáng)的剛性、適宜的彈性及較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，支架表面可形成富含鈣磷無機(jī)層，提示支架具有良好的骨誘導(dǎo)作用[13,16]。

有別于上述混合凍干等傳統(tǒng)制備技術(shù)，浸涂鑄造工藝合成的聚合物涂層復(fù)合支架也有良好性能。Motealleh等[17]將BG支架浸入不同聚合物溶液中，聚合物滲透到支架的孔隙中而形成涂層復(fù)合支架。與其他天然聚合物相比，CS涂層支架有更低的降解速率，且能更快地在涂層表面及界面處形成礦化層，這可能是由于CS的高滲透能力增強(qiáng)了界面處機(jī)械嵌合和化學(xué)結(jié)合，在非酸性溶液中其較低親水能力阻礙了BG的降解，此外BG具促進(jìn)礦化層形成的能力，也影響著支架的降解。進(jìn)一步機(jī)械性能檢測發(fā)現(xiàn)，CS涂層支架的強(qiáng)度和韌性分別較純BG支架增加了約6和25倍，可見機(jī)械性能得到明顯改善。

2 BG/CS復(fù)合材料在藥物及生物活性成分緩釋方面的應(yīng)用

為控制治療過程，實(shí)現(xiàn)最佳治療效果，兼顧最小的不良反應(yīng)，緩釋系統(tǒng)成為醫(yī)藥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。BG和CS均是良好的藥物和生物活性成分載體材料，具有良好的應(yīng)用前景[4,9]。

作為藥物運(yùn)載體，BG和CS均存在藥物突釋、總體釋放時(shí)間過短的問題[9]，二者的復(fù)合材料可明顯改善該現(xiàn)狀。如前文所述，CS的親水性低，BG含量影響支架的孔徑和孔隙率，親水性和孔隙進(jìn)而影響復(fù)合體的水合和降解，從而延緩了支架內(nèi)部藥物的彌散和釋放速度。Jia等[20]制備了載替考拉寧的BG/CS復(fù)合球，緩釋的藥物濃度可在耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度和毒性濃度之間維持3～4周，如此緩釋效果還可能與CS的游離氨基和磷酸根交聯(lián)相關(guān)。進(jìn)一步體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該復(fù)合體能夠治療兔的慢性骨髓炎，同時(shí)促進(jìn)羥磷灰石形成，加快骨重建。BG/CS可實(shí)現(xiàn)抗菌藥物的可控長程緩釋，又兼具成骨活性，這在血運(yùn)和再生能力均較差的骨的創(chuàng)傷后感染防控和修復(fù)方面具有良好應(yīng)用前景。為預(yù)防種植體周圍感染，BG/CS可負(fù)載抗生素直接沉積在種植體表面或修飾過的表面，如將含抗生素復(fù)合材料涂覆在已由聚醚醚酮/BG改性的種植體表面，藥物釋放120 d后其濃度仍然高于最低抑菌濃度，這表明復(fù)合材料抗菌作用至少可維持4個(gè)月[18]。

細(xì)胞、基因和細(xì)胞因子等生物活性成分主要被包載于BG/CS復(fù)合支架內(nèi)，常通過雙重運(yùn)載體系將各成分有序緩慢釋放到微環(huán)境中，調(diào)節(jié)復(fù)雜的骨再生過程。白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-8不僅對干細(xì)胞具有趨化作用，還可強(qiáng)化骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）-2的骨誘導(dǎo)性。為進(jìn)一步探討IL-8和BMP-2序列緩釋關(guān)系，有學(xué)者[21]將IL-8包裹于CS微球中，再將微球嵌入載有BMP-2的BG支架的大孔隙內(nèi)，調(diào)整IL-8的釋放時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)BMP-2和中程緩釋的IL-8復(fù)合系統(tǒng)表現(xiàn)出最佳的體外骨誘導(dǎo)效果，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)其能加速兔大段骨缺損的骨重建。Zhang等[22]將含骨誘導(dǎo)相關(guān)的Nel樣Ⅰ型分子DNA和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞懸液的CS摻入多孔BG支架中，植入恒河猴的牙槽骨缺損處，可觀察到大量成熟的骨細(xì)胞和致密的新骨形成，新骨與宿主骨完全融合，表現(xiàn)出最佳的成骨效果。這可能是由于與天然骨組織相近的支架為骨再生提供了適當(dāng)?shù)奈h(huán)境，而CS實(shí)現(xiàn)DNA的控釋并促進(jìn)其轉(zhuǎn)染干細(xì)胞，上調(diào)干細(xì)胞內(nèi)成骨相關(guān)基因的表達(dá)，加快細(xì)胞外基質(zhì)的分泌和鈣結(jié)節(jié)形成。

3 BG/CS復(fù)合材料在種植體表面修飾的應(yīng)用

鈦及鈦合金是目前應(yīng)用較為廣泛的金屬種植體材料，具有高機(jī)械強(qiáng)度和良好生物相容性，但缺乏生物活性和抗菌性能，難以與骨形成很牢固的結(jié)合，無法預(yù)防種植體周圍感染，增加了種植體松動(dòng)、脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

為改善以上不足，提高種植體留存率，種植體表面功能性涂層是一種備受關(guān)注的表面改性方法[23]。如前所述，BG不僅可通過形成羥磷灰石層，與軟硬組織之間形成穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)合，還具有一定的抗菌性，作為涂層材料可改善種植體表面的活性。將其與抗菌性CS復(fù)合后，抗菌性得以提升，組織結(jié)構(gòu)也更近于天然骨，進(jìn)一步彌補(bǔ)了單純種植體和單純BG涂層的不足，但性能提升的程度也受到諸多因素的影響，如涂層技術(shù)和BG粒徑大小。

電泳沉積技術(shù)是備受CS復(fù)合涂層材料研究者青睞的一種涂層技術(shù)，是在電場作用下實(shí)現(xiàn)對帶電粒子的沉積，具有涂層厚度形態(tài)可控、可室溫操作、操作簡單等特點(diǎn)[23-24]。Avcu等[25]采用該技術(shù)成功將CS及BG/CS分別沉積在鈦種植體表面，發(fā)現(xiàn)隨電壓增加，CS和BG沉積量增加。與6～8 V和15～20 V相比，10～15 V電壓作用下的涂層均勻且足夠薄，可保持種植體的粗糙形貌。此外，Seuss等[26]曾報(bào)道，含平均直徑為2 μm和20～80 nm BG的復(fù)合材料均可沉積于種植體表面，進(jìn)一步對比表面形貌、體外生物活性和抑菌試驗(yàn)等結(jié)果，發(fā)現(xiàn)含納米級BG顆粒者表現(xiàn)出較微米級更大的嵌合面積、更快的成骨速度和更好的抗菌活性。也有學(xué)者[24]將復(fù)合材料沉積于已修飾的種植體表面，較無修飾表面，二氧化鈦納米管提供優(yōu)越的親水表面，但抗菌性能較差。BG/CS涂覆后，種植體顯示出更好抗菌能力，并促進(jìn)細(xì)胞附著增殖和更多的磷灰石形成，使種植體骨結(jié)合更加穩(wěn)定。雖然BG/CS修飾的種植體實(shí)現(xiàn)了生物活性和抗菌性的優(yōu)化，但不同類型BG與CS最適配比以及相匹配的最佳電泳沉積技術(shù)參數(shù)仍需確定。

4 BG/CS復(fù)合材料在其他方面的應(yīng)用

BG/CS復(fù)合材料還可用于止血、牙周組織再生、牙齒再礦化、優(yōu)化玻璃離子水門汀等。CS本身具有止血特性，但缺乏足夠的機(jī)械強(qiáng)度來抵抗過度出血和再出血產(chǎn)生的血流壓力，當(dāng)與BG及其他組分混合后，復(fù)合材料可調(diào)控止血機(jī)制，增強(qiáng)止血效果和機(jī)械性能[16]。在誘導(dǎo)牙周組織再生方面，魚膠原/BG/CS混合可制備引導(dǎo)性膜，實(shí)驗(yàn)[27]證實(shí)具有良好的組織誘導(dǎo)再生作用，兼具一定的抗菌活性。隨著仿生礦化的發(fā)展，復(fù)合材料不僅用于再礦化釉質(zhì)白斑病變[28]，而且可優(yōu)化玻璃離子水門汀，增強(qiáng)其機(jī)械和生物礦化性能[29]。

5 結(jié)論和展望

本文概述了BG/CS復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用，涉及骨組織工程、生物活性成分和抗生素靶向緩釋、種植體表面修飾等方面。作為骨組織工程支架，復(fù)合材料展現(xiàn)出更好的機(jī)械強(qiáng)度和生物學(xué)活性，在一定程度上縮小了支架與骨組織之間性能的差距。此外，該復(fù)合材料還可以運(yùn)載細(xì)胞、生物活性分子和藥物，并實(shí)現(xiàn)可控緩釋。當(dāng)復(fù)合材料直接或間接修飾種植體表面時(shí)，增強(qiáng)了種植體與骨組織之間的骨結(jié)合，還提高了其抗菌性能，有利于提升口腔內(nèi)種植體的植入效果及留存率。盡管該復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，但它們與理想要求仍相差甚遠(yuǎn)，取決于許多因素，包括制備BG及復(fù)合材料的方法、BG的尺寸和類型、BG與CS配比、負(fù)載特定功能的離子等。因此，必須優(yōu)化和精確地平衡這些因素，才有可能合成與各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用相匹配的復(fù)合材料。