生物玻璃在組織修復(fù)中的研究進展

李 倩，陳瑞果，謝巖黎

(1. 河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001)(2. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 強磁場中心，安徽 合肥 230031)

1 前 言

1969年，Larry Hench博士等首次發(fā)明了硅酸鹽生物玻璃45S5(45%SiO2-24.5%Na2O-24.5%CaO-6%P2O5,質(zhì)量分數(shù))用于組織修復(fù)，這一發(fā)現(xiàn)打開了生物醫(yī)用材料領(lǐng)域新的篇章[1]。與此前傳統(tǒng)的生物材料如惰性生物醫(yī)用高分子和惰性生物醫(yī)用金屬相比，生物玻璃有著多方面的優(yōu)勢，如能夠降解，釋放促進修復(fù)的離子從而降低傷口感染，對機體的毒性低等。特別值得指出的是，生物玻璃的活性指數(shù)IB大于8，降解后生成的碳酸羥基磷灰石(HCA)能夠與組織牢固鍵合。因此，許多研究側(cè)重于調(diào)整生物玻璃的成分，加快HCA形成，如發(fā)展硼酸鹽生物玻璃，摻雜Na+和Ca2+之外的元素。此外，創(chuàng)傷組織在修復(fù)中需要一個營養(yǎng)流入和廢物流出的開放系統(tǒng)，因此，特殊結(jié)構(gòu)的生物玻璃也是組織工程中的重要發(fā)展趨勢。目前，生物玻璃已經(jīng)廣泛應(yīng)用于硬骨、軟骨、軟組織修復(fù)甚至腫瘤殺傷中，是組織工程中重要的材料，對其力學(xué)性能、降解速率、組織相容性進行改善和調(diào)控仍是目前研究的難點和熱點。

2 生物玻璃的化學(xué)組成與生物學(xué)活性

生物玻璃在生理條件下的反應(yīng)過程經(jīng)歷離子交換、膠狀Si(OH)4的沉積、無定形鈣磷層沉積和HCA結(jié)晶等過程。由反應(yīng)機制可知，降解速率和HCA的形成直接影響著生物玻璃生物活性的發(fā)揮，而這兩個參數(shù)和生物玻璃的組成成分和含量密切相關(guān)。如當SiO2質(zhì)量分數(shù)高于60%時，硅酸鹽生物玻璃通常不具備生物活性，在55%～60%之間的適合作骨修復(fù)材料，45%～52%之間的生物玻璃適合修復(fù)軟組織[2, 3]。從體外生物玻璃的降解速率來看，SiO2含量高的生物玻璃形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這是由于Si離子無法被Ca2+或Na+置換，HCA的形成受阻。此外，元素的離子半徑也是影響降解的一個因素，如硼酸鹽生物玻璃中B3+離子半徑小，形成的B2O3結(jié)構(gòu)疏松[4]，經(jīng)磷酸氫鉀浸泡后，HCA在4 d內(nèi)即可形成，45S5中則需要70 d左右[5]。痕量元素置換一部分SiO2也可加速生物玻璃的降解，Liu等[6]發(fā)現(xiàn)生物玻璃P6.33摻雜7%(摩爾分數(shù))的CaF2后，在Tris中浸泡2～8 h即形成HCA，而無CaF2摻雜的樣品中HCA的形成延長至72 h。有趣的是，如果用痕量元素替換生物玻璃中的Na+或Ca2+，元素半徑則對降解速率產(chǎn)生相反的影響。用元素半徑較大的Sr2+替換Ca2+，硅酸鹽生物玻璃的降解加快，并且與Sr2+的含量呈正相關(guān)[7]。相似地，最新研究也表明，如用Li+替換45S5中的Na+， Tris浸泡液在6 h內(nèi)pH值和離子濃度保持穩(wěn)定，而用K+替換，則pH值和離子濃度都快速上升，有大量HCA沉積，推測原因是離子半徑較小的元素使SiO2的結(jié)構(gòu)更為致密，減緩降解[8]。在硼酸鹽和硅酸鹽混合玻璃中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果，當用含量低于2%(摩爾分數(shù))的Ag2O置換CaO后，BO4與BO3的含量比升高，結(jié)構(gòu)的無序性增加，HCA形成加快[9]。與Ag+不同，Zn2+作為中間氧化物能夠穩(wěn)定SiO4的結(jié)構(gòu)，促進網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合，因而減緩了生物玻璃的降解[10, 11]。因此，在調(diào)整生物玻璃中元素的組成和含量時需要綜合考慮元素的半徑、酸堿性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)合傾向等，特別是多種元素摻雜時，生物玻璃的降解速率和活性可能存在不確定性。

除了參與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，生物玻璃中的離子也具有抑菌、激活成骨細胞分化通路以及促進血管生成等功能。如Ag+、Zn2+、Sr2+、Cu2+等摻雜的生物玻璃有效殺滅了大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等細菌[12-17]。在抑菌率上，對放線共生放線桿菌和牙齦卟啉單胞菌的抑菌率與 F-摻雜的比例呈正相關(guān)。并且CaF2摻雜摩爾分數(shù)低于5%的生物玻璃均無細胞毒性，隨著CaF2摻雜量的提高，3周內(nèi)MC3T3-1細胞中血管生長因子VEGF上調(diào)，其中只有摻雜量為1%的P6.33使MC3T3-1細胞中成骨相關(guān)基因Colla1和OPN表達明顯上調(diào)，膠原蛋白合成增加[6]。然而，目前氟摻雜的生物玻璃體內(nèi)實驗尚不明確，氟可能引起的骨骼和牙齒釉斑問題還需要進一步驗證。Zn2+也有促進細胞礦化的作用，摻雜量(摩爾分數(shù))低于5%時促進人骨肉瘤細胞SAOS-2的生長和分化，并且當ZnO的摻雜量為0.3%時細胞外基質(zhì)合成量最高[18]，摻雜量在3%以內(nèi)的生物玻璃也促進了人牙髓干細胞的分化[11]。體外和體內(nèi)實驗顯示，Cu2+摻雜的13-93B3對細胞的生長繁殖、相關(guān)生長因子基因的轉(zhuǎn)錄表達以及皮膚傷口修復(fù)都有促進作用，并且與Cu2+的含量呈正相關(guān)[19]。為了避免局部高pH值對細胞的毒性，以上體外細胞實驗都是用生物玻璃粉末浸出液的稀釋液與細胞共同培養(yǎng)，而體內(nèi)實驗中，隨著體液循環(huán)局部堿性得到中和。綜上，元素摻雜含量高于5%的，往往不可避免地引起細胞毒性，大多數(shù)實驗證明，1%以下的摻雜量能最大程度地促進成骨分化。因此，為了實現(xiàn)生物玻璃對特定組織的最佳修復(fù)效果，除了要考慮摻雜元素的種類和含量，離子釋放的動力學(xué)更需要精確調(diào)控。

圖1 機體對生物玻璃的生物學(xué)響應(yīng)機制[20]Fig.1 Biological responses to bioactive glass[20]

3 結(jié)構(gòu)對生物相容性的影響

除了化學(xué)組成，生物玻璃的結(jié)構(gòu)也對其修復(fù)能力有著重要的影響(圖1[20])。目前基于熔融法、溶膠-凝膠等方法制備的生物玻璃有初級的微米、納米級顆粒、纖維，還有介孔生物玻璃和3D打印、電紡纖維生物玻璃。從微觀上來說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)比表面積、表面粗糙度、電荷/Z-電勢、拓撲學(xué)性質(zhì)、機械強度等影響著生物玻璃的生物相容性。如納米級顆粒因比表面積大，相較微米級顆粒吸附的膠原蛋白更多，能為細胞提供更多的黏附位點[21]。然而細胞黏附和HCA的形成之間并不是正相關(guān)，Gough等發(fā)現(xiàn)光滑的(Ra：0.045 μm)45S5表面人原代成骨細胞黏附面積大，但長時間降解后HCA的形成遠遠低于表面粗糙的(Ra：2.027 μm)45S5[22]。此外，孔徑和孔隙率對材料與組織的結(jié)合也有重要的影響。在孔徑低于100 μm的生物材料上細胞易團聚，且黏附性和繁殖率降低，有更多新生軟骨；而孔徑高于300 μm的生物材料直接促進新骨形成和毛細血管生成，因此，材料中孔徑大小呈梯度分布是解決復(fù)雜組織(如關(guān)節(jié)等)的一個思路[23]。孔隙率對細胞生長的影響主要和比表面積有關(guān)，一般地，孔隙率高的生物玻璃具有更大的比表面積，細胞與細胞外基質(zhì)蛋白的結(jié)合度更高，利于細胞生長。同時，不同孔隙率的生物玻璃具有不同機械強度，能夠匹配不同機械強度的組織，如松質(zhì)骨與密質(zhì)骨的壓縮強度分別為2～12 MPa和100～150 MPa，彈性模量分別為0.1～5 GPa和5～15 GPa[24]，因此通過控制孔隙率來獲得不同比表面積以及不同機械強度的生物玻璃也是制備支架材料的一個思路。

4 生物玻璃在組織修復(fù)中的應(yīng)用

4.1 硬組織修復(fù)

硬組織修復(fù)中往往用生物玻璃復(fù)合鈦、鈦合金、鎂合金等，以提高金屬支架的力學(xué)性能，降低離子溶出率和腐蝕速度[25-27]。此外，生物玻璃與金屬復(fù)合能夠顯著降低機體的炎癥反應(yīng)，如Scislowska-Czarnecka等發(fā)現(xiàn)相比羥基磷灰石(HA)或者硅酸鈣，生物玻璃涂覆的鈦募集更多的巨噬細胞，并且相關(guān)的炎癥因子MMP-9、TNF-α等的產(chǎn)生量減少[28]。生物玻璃涂覆的金屬還能誘導(dǎo)干細胞分化為成骨細胞，普遍的觀點認為大量的分化是骨整合的首要條件。然而，也有不同的觀點。Popa等提出干細胞在長期修復(fù)中要保持一定的數(shù)量，而不能過度分化。他們將鈦材料表面涂覆生物玻璃以提高硬度，牙髓干細胞只是表現(xiàn)為數(shù)量增多，而并無分化[29]。筆者認為，在硬組織修復(fù)中，不同類型的細胞數(shù)量需要維持適當?shù)谋壤?，以避免過度增生引起的副作用。除了與金屬材料復(fù)合，還將生物玻璃與多聚物復(fù)合，一方面模擬天然骨組織中無機(磷灰石)/有機(膠原蛋白)環(huán)境，另一方面兩種材料都能夠降解，成為骨組織工程中一種理想的支架材料。多聚物中應(yīng)用較多的有聚DL-乳酸(PDLLA)、透明質(zhì)酸、殼聚糖、海藻酸等。一般地，隨著生物玻璃含量的提高，形成的復(fù)合材料越致密，機械性能越高。生物玻璃的含量還影響著細胞增長、細胞外基質(zhì)合成和體內(nèi)骨組織修復(fù)。如人骨肉瘤細胞MG-63、人脂肪干細胞、間充質(zhì)干細胞在45S5/PDLLA復(fù)合材料上的繁殖數(shù)量與45S5的含量呈正相關(guān)，含40%(質(zhì)量分數(shù)) 45S5的復(fù)合材料上，細胞的數(shù)量最多[30-31]。進一步地，Lu等還發(fā)現(xiàn)在含40% 45S5的復(fù)合材料上，膠原蛋白的合成量最大，人脂肪干細胞的成骨分化率最強[32]。而對于天然的多聚物，與很低含量的45S5復(fù)合就能用于骨修復(fù)，如在m/V為0.2%的45S5與海藻酸溶液混合的水凝膠上，大鼠間充質(zhì)干細胞的繁殖和分化最快，并且能夠快速遷移至復(fù)合材料內(nèi)部，這與Si4+的含量和表面形成的HCA有關(guān)[33]。在誘導(dǎo)成骨中，45S5與不同多聚物復(fù)配的含量比例差異較大，因此，在實驗中需要關(guān)注材料本身的強度、表面沉積的HCA和降解過程中離子的濃度。

除了形狀固定的支架材料，可注射的生物玻璃在關(guān)節(jié)軟骨再生中發(fā)展迅速。Zhu等[34]制備了復(fù)雜的可注射生物玻璃-水凝膠-細胞多層復(fù)合材料，體內(nèi)外實驗顯示，骨髓干細胞和海藻酸鈉-生物玻璃層促進軟骨下骨再生，骨髓干細胞、關(guān)節(jié)軟骨細胞和海藻酸鈉-瓊脂糖層促進關(guān)節(jié)軟骨再生，并且發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料還能整合新舊組織。

4.2 軟組織修復(fù)

4.2.1 皮膚傷口修復(fù)

由于生物玻璃能釋放促進血管生成的離子，且能夠降解，近年來有報道將其用于皮膚傷口修復(fù)。 Zhao等將摻雜Cu2+的13-93B3納米纖維敷在大鼠傷口處，傷口修復(fù)速度與Cu2+的含量成正相關(guān)[19]。此外，許多研究將生物玻璃與多聚物混合制備傷口敷料，如將45S5納米顆粒與聚羥基辛酸混合作為傷口敷料，生物玻璃的含量越高，混合材料的粗糙度和親水性越高，止血需要的時間越短[35]。為了更好地模擬天然的軟組織，研究人員采用兩種或兩種以上的多聚物共價交聯(lián)生物玻璃，制備了復(fù)雜的復(fù)合材料。Chen等報道了一種3D支架，外殼由透明質(zhì)酸和殼聚糖組成，能夠增強材料的熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，內(nèi)核是納米尺寸的明膠和生物玻璃海綿纖維，并提出了促進慢性傷口修復(fù)的材料模型[36]。

4.2.2 神經(jīng)元修復(fù)

45S5纖維與硅橡膠導(dǎo)管制備的復(fù)合物促進Schwann細胞的附著，并且可連接大鼠坐骨神經(jīng)殘端長達0.5 cm的間隙[37]。Marquardt等[38]將條狀的13-93B3摻入纖維蛋白中，引導(dǎo)神經(jīng)元沿著生物玻璃的走向延伸。Novajra等[39]在中空的磷酸鹽玻璃纖維中填充瓊脂/明膠和熒光素葡聚糖，不但誘導(dǎo)神經(jīng)元的再生，還可控制生長因子的釋放。Mohamadi等[40]用靜電紡絲技術(shù)制備的聚己內(nèi)酯-膠原-納米生物玻璃多孔復(fù)合材料促進了末梢神經(jīng)組織再生。然而，體內(nèi)實驗表明，復(fù)合材料修復(fù)神經(jīng)元的效果無法持久。如Forturan等[41]發(fā)現(xiàn)生物玻璃和明膠共價交聯(lián)的納米導(dǎo)管能夠連接坐骨神經(jīng)中末梢神經(jīng)長達1 cm的間隙，促進神經(jīng)元更新，但是術(shù)后3個月的觀察結(jié)果表明，復(fù)合材料組中神經(jīng)的修復(fù)效果與對照組(僅明膠)無差異。Kim等[42]也發(fā)現(xiàn)在磷酸鹽玻璃纖維表面包裹上膠原蛋白，在體內(nèi)實驗的初始階段促進了大鼠神經(jīng)元軸突的生長，修復(fù)效果在12周后消失。因此，生物玻璃/多聚物復(fù)合材料如何在體內(nèi)長效修復(fù)神經(jīng)元仍然是需要解決的問題。

4.2.3 其他軟組織修復(fù)

生物玻璃與多聚物復(fù)合材料還能用于心臟、腸道、肺等軟組織的修復(fù)。如將45S5與聚癸二酸丙三醇酯混合用于心肌梗塞的治療，最佳含量為5%(質(zhì)量分數(shù))，復(fù)合材料的彈性模量在0.5 MPa左右，在模擬體液浸泡后降低到0.2 MPa，適合心臟組織修復(fù)[43]。相似的是，質(zhì)量分數(shù)為5%的45S5與聚D，L-丙交酯復(fù)合可促進人肺上皮細胞繁殖，具備肺組織修復(fù)功能[30]。對于腸道和子宮內(nèi)膜修復(fù)，則生物玻璃的含量較低，如Boccaccini等用生物玻璃與聚乳酸-羥基乙酸復(fù)合制備多孔管狀材料，發(fā)現(xiàn)1% 的45S5即可誘導(dǎo)腸道細胞再生[44]，對于子宮內(nèi)膜修復(fù)，生物玻璃的最佳含量為1.5%[45]。如果將45S5涂覆在多聚物上，則很低的濃度即可促進血管新生，如Day等發(fā)現(xiàn)成纖維細胞在濃度為0.01%(m/V)的45S5涂覆的聚羥基乙酸上表達的VEGF量最高，而濃度高于0.2%時則對細胞有毒性，體內(nèi)實驗證明了植入大鼠皮下囊的復(fù)合材料中有大量新生血管生成[46]。

4.3 腫瘤殺傷作用

近年來發(fā)現(xiàn)，在生物玻璃中摻雜磁性元素能夠達到殺死腫瘤細胞和促進組織再生的雙重目的，在腫瘤治療中取得了良好的效果。Lu等將SrFe12O19修飾的介孔生物玻璃/殼聚糖多孔支架植入大鼠體內(nèi)后，經(jīng)0.3 W·cm-2的近紅外光照射2 min后，植入部位的溫度上升到43 ℃，骨癌細胞的殺傷率達到84.6%，此外，SrFe12O19產(chǎn)生的磁場使人骨髓間充質(zhì)干細胞增殖，相關(guān)成骨通路激活[47]。另外摻雜鉍、鋇等元素[48, 49]也發(fā)現(xiàn)了相似的熱療效應(yīng)。Wang等將Bi2O3摻雜的磷硅酸生物玻璃S6P2B植入裸鼠骨癌組織，受到1.5 W·cm-2的近紅外光照射后，骨癌組織處的溫度迅速升高到55 ℃，照射10 min，裸鼠在1 d后腫瘤組織開始瓦解，15 d后完全消失，其中鉍的摻雜量越高，產(chǎn)生的熱療效應(yīng)越高，但高于6%(摩爾分數(shù))時對細胞有毒性[48]。

5 結(jié) 語

生物玻璃已經(jīng)被廣泛用于人體組織修復(fù)，如骨、軟骨、皮膚、心臟、肺、神經(jīng)等組織。這些應(yīng)用都與其組成成分可靈活調(diào)控，可與金屬、天然或合成的高分子聚合物有效復(fù)合密切相關(guān)。同時，生物玻璃還可以與干細胞、藥物等聯(lián)合使用實現(xiàn)細胞預(yù)激活和藥物緩釋的目標。生物玻璃的進一步設(shè)計和研發(fā)仍然是目前組織修復(fù)和疾病控制中重要的課題，現(xiàn)有的修復(fù)支架材料也面臨著許多問題和挑戰(zhàn)，如力學(xué)性能需要與待修復(fù)組織匹配，實現(xiàn)可控的離子釋放速度和濃度，降低機體的炎癥反應(yīng)，縮短修復(fù)時間，以及在臨床上使用方便和成本控制等。這些問題都需要更多的體內(nèi)和體外實驗進行細胞和分子層面的深入研究。相信未來生物玻璃會有更廣闊的醫(yī)用潛力和空間。