生物活性玻璃骨修復(fù)支架降解性能影響因素的研究進展*

王 珍 孫 蕊 王宏遠

各種口腔頜面部的囊腫、腫瘤、外傷、感染以及一些先天性的原因會導(dǎo)致不同程度的牙槽骨、頜骨的缺損，醫(yī)者常通過將骨移植材料植入缺損區(qū)使骨組織得以再生修復(fù)[1]。近年來，骨組織工程不斷發(fā)展，生物活性玻璃（bioactive glass,BG）骨修復(fù)支架也成為了醫(yī)學(xué)界研究的熱門話題。

1.生物活性玻璃的概述

生物玻璃（bioglass,BG）是Hench[2]在1969年首次發(fā)現(xiàn)并命名，現(xiàn)又稱生物活性玻璃。生物活性玻璃作為一類骨替代的生物活性材料，兼具極高的骨誘導(dǎo)（osteo-induction）及骨引導(dǎo)（osteo-conduction）潛力，有很強的生物可降解性、成骨及成血管活性、生物相容性。若將BG 置于骨缺損區(qū)后，其會釋放出鈣、鈉、磷酸根等離子，受pH 的影響，其與骨組織的交界處有富硅凝膠層生成，蛋白與膠原被吸附在上面，鈣、磷酸根等離子向SiO2凝膠層遷移，形成羥基磷灰石層（Hydroxyapatite,HA)，HA 與機體骨組織的無機組分相近，表現(xiàn)出修復(fù)骨缺損的能力[3]。此外，BG 釋放的Si 離子、Ca 離子、PO4離子還可調(diào)控成骨相關(guān)基因（Osteogenic related genes,ORG）的表達，有利于成骨細胞的生長、分裂、轉(zhuǎn)移，同時，也改善了ALP 的酶活性,進而加速了Ⅰ型膠原纖維的形成，使新骨形成過程加快[4]。生物活性玻璃因其優(yōu)越的性能，在臨床上應(yīng)用廣泛。王珊珊等[5]將BG 置于頜骨囊腫切除后的骨腔中，6個月后評估其療效發(fā)現(xiàn)術(shù)區(qū)與正常骨組織無異。BG 不僅在頜骨缺損的修復(fù)方面成效顯著，在牙周組織缺損方面也取得了很大進展。王鳴照等[6]通過將Bio-Oss 與PerioGlas 放置在上頜前牙區(qū)種植體周圍的骨組織缺損區(qū)，發(fā)現(xiàn)二者均有較強的成骨能力，但Bio-Oss 比PerioGlas降解速度慢，更有利于唇側(cè)牙槽骨寬度的維持，增強美學(xué)效果。王麗艷等[7]將牙周骨缺損區(qū)植入納米BG 材料，3個月后X 線片發(fā)現(xiàn)骨缺損區(qū)與正常骨組織之間界限不清，骨密度相近，這為臨床修復(fù)牙周骨的角型吸收奠定了理論基礎(chǔ)。

以上研究充分證實BG 作為骨替代材料在修復(fù)頜骨與牙周骨缺損方面具有顯著療效。雖然BG 在臨床上取得了很大的進展，但改善BG 的降解性能，達到降解與新骨再生之間的平衡，一直是困擾醫(yī)學(xué)界的問題，為了解決這個問題，很多專家學(xué)者對BG進行了諸多研究，接下來我將從以下幾個方面闡述其對BG降解的影響。

2.生物活性玻璃降解性能的影響因素

影響B(tài)G 的降解性能的因素眾多，其中最主要的是物理性能（形狀、密度、比表面積、孔徑）、化學(xué)性能（鈣磷比、溶解性、酸堿性）、晶體結(jié)構(gòu)。故而我們可通過調(diào)整材料尺寸、改變制作工藝以及摻各種成分的改性劑來改變其物理化學(xué)性質(zhì)，從而達到控制其降解性能的目的。

2.1 材料尺寸的改變對降解性能的影響 生物玻璃材料的形狀是多種多樣的，有顆粒、泥灰、泡沫、塊狀等等，形狀與尺寸不同的BG 的降解性能及生物活性差異很大并在某種程度上可以定量預(yù)測[8]。高鵬等[9]研究發(fā)現(xiàn)：尺寸不一的BG不規(guī)則顆粒修復(fù)股骨髁缺損時，500～720 微米顆粒的間隙的空間結(jié)構(gòu)對玻璃網(wǎng)絡(luò)的降解以及細胞的增殖、遷移較90～500微米的顆粒更具優(yōu)勢。然而，同期高鵬等[3]又進行了相關(guān)實驗，將3種尺寸不一的BG規(guī)則球體對兔股骨缺損的修復(fù)能力進行了比較，發(fā)現(xiàn)直徑90～300微米的BG 球體降解及成骨性能好，可以用來修復(fù)腔隙性骨缺損。兩組研究結(jié)果的差異是否由于BG形狀的改變造成，由于缺乏對照比較，這還有待進一步驗證。Ajita 等[10]將直徑為37.6～74.7μm 的BG納米微粒與骨髓間充質(zhì)干細胞（bone mesenchymal stem cells，MSCs）作用時，也發(fā)現(xiàn)粒徑最小的BG 微球有更大的體液中離子溶出率及比表面積，降解速率也更大，增殖的MSCs 也更多。以上研究均可證實材料的尺寸與BG 的降解性能息息相關(guān)，我們可以通過改變材料的尺寸來實現(xiàn)對其降解速率的調(diào)控。

2.2 制作工藝的改變對降解的影響

2.2.1 熔融法 熔融法制作的生物活性玻璃是將各種原料研磨均勻混合后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)（1300-1500℃）、水淬、烘干得到BG 的方法[11]。熔融法制備的BG組分不均，比表面積小，結(jié)構(gòu)致密，離子溶出低，不利于BG的降解[12]。在熔融法制備的硅酸鹽BG 中，SiO2的占比應(yīng)少于60%，若SiO2大于60%，制備的BG 硅氧網(wǎng)絡(luò)連接程度緊密，離子溶出率低，將失去生物活性[8,13]。而且熔融法制備的硅酸鹽BG 容易析晶，生物活性低，且降解速率與新骨再生速率不能保持平衡。為了解決這個問題，Cortezde等[14]將不含堿金屬離子的Mg-Ca-P-Si-F 系統(tǒng)的生物玻璃FastOs?置于羊股骨缺損處1個月后，掃描電鏡（SEM）下發(fā)現(xiàn)其新生的骨組織與臨近骨缺損區(qū)的骨組織連接良好，而45S5BG 卻降解速度過快，與宿主骨之間產(chǎn)生縫隙。

2.2.2 溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠法將前驅(qū)體硝酸鈣（鈣源）、磷酸三乙酯（磷源）、正硅酸乙酯（硅源），經(jīng)催化作用發(fā)生水解、聚合形成溶膠，溶膠經(jīng)靜置、陳化得到凝膠，凝膠經(jīng)干燥、燒結(jié)、固化后得到BG的方法[15,16]。為了解決熔融法制備的玻璃組分不均、結(jié)構(gòu)致密、離子溶出率低的問題，1991年，Li 等[17]第一次通過用溶膠-凝膠法制作出直徑為2～50納米的生物活性玻璃，其比表面積大，孔隙多，孔隙率高，離子溶出迅速，降解速率較熔融法制作的BG 大大提升[16]。溶膠凝膠法制作的BG 中SiO2的含量可大于90%，高于熔融法制備的硅酸鹽BG中的SiO2的含量，同時其大的比表面積使外露的Si-OH 增多，這使所制的BG 有更良好的降解吸收性能且更容易形成HA 層，有很強的骨鍵合能力，生物活性也極大增強[18-21]。溶膠-凝膠法制備的介孔生物活性玻璃（mesopoeous bioactive glass,MBG）由于其介孔排列整齊、高度有序、藥物容易吸附，抗菌載藥性能好，在骨髓炎、骨肉瘤的治療方面取得很大進展[22]。MBG 一般是通過負載抗生素、成骨相關(guān)生長因子、蛋白質(zhì)等發(fā)揮成骨作用。負載BMP-2的MBG 可促使成骨相關(guān)基因的表達，利于MSCs 分化，加快成骨細胞生成，抑制破骨細胞分化[23]。而且MBG 降解產(chǎn)生的鈣離子、硅離子在體內(nèi)蓄積不僅不會產(chǎn)生毒性反應(yīng)，而且還會促進rBMSCs 分化成熟，促進新骨再生，這在隋佰延[24]對MBG 在體內(nèi)的轉(zhuǎn)歸及成骨效應(yīng)的研究中得到了證實。因為用溶膠凝膠法制作的BG 的降解性能優(yōu)良，成骨作用顯著，所以溶膠凝膠法適用范圍較廣。

2.2.3 模板法 模板法在反應(yīng)體系中加入表面活性劑，并以此為模板，再通過無機物前驅(qū)體的聚合形成BG網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)陳化、洗滌、干燥、燒結(jié)得到納米BG的方法[15,16]。模板法是在溶膠-凝膠法的基礎(chǔ)上衍生出來的，其制備的納米MBG排列整齊,尺寸分布均一，比表面積大和孔隙豐富，彌補了溶膠-凝膠法所制備的納米級BG 顆粒呈團聚狀態(tài)的不足。趙大洲[25]等人運用此法制備的介孔生物活性玻璃具有有序的介孔通道，巨大的孔隙體積，這使BG 成為某些生物因子、功能離子、抗生素的良好載體，對抗菌消炎、抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的意義非凡[26]。

制作工藝對降解性能的影響主要是通過改變其比表面積、孔徑大小、溶解性、結(jié)晶性等來實現(xiàn)的。為了彌補上述方法的不足，在此基礎(chǔ)上又衍生出很多BG復(fù)合支架的制作工藝，例如，靜電紡絲法、冷凍干燥法、雙模板技術(shù)、3D 打印技術(shù)等[27]。它們各具優(yōu)點，使BG被廣泛應(yīng)用于臨床。面對諸多的制作工藝，我們需根據(jù)原料的性質(zhì)、制備方法的特點、成本的高低、臨床的需求綜合考慮，擇優(yōu)選擇。

2.3 摻加改性劑對降解的影響

2.3.1 B3+對BG 降解性能的影響 硼是硼酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)成元素，它可以取代硼酸鹽BG中的Si 元素，加快其降解速度。研究發(fā)現(xiàn)隨著13-93、13-93B1、13-93B3 中B 含量的逐漸增加，降解速率越來越快，但抗壓強度卻在變小，這一現(xiàn)象可以由B2O3使生物玻璃中的硅原子的空間排列方式變得不穩(wěn)定來解釋[8]。Yao等在研究中也提到BG 的溶解速度與其組成有關(guān)，B、Si 含量偏高時溶解快，當B/Si 的摩爾比為3時降解速率適中，臨床上可通過加入不等量的硼實現(xiàn)對BG 降解吸收速度的調(diào)控[28,29]。此外，張亞東[30]通過將硼酸鹽骨水泥與硫酸鈣骨水泥同時植入兔股骨缺損中，發(fā)現(xiàn)硫酸鈣骨水泥降解過快，再生骨還沒完全占據(jù)骨缺損的空間，其已經(jīng)降解，而硼酸鹽骨水泥其降解適中，骨缺損區(qū)與正常骨組織邊界不清，這充分說明了硼元素可改變BG 的降解速度，這也使硼酸鹽骨水泥替代了傳統(tǒng)骨水泥被用于修復(fù)組織缺損。硼酸鹽BG不僅在骨修復(fù)方面優(yōu)勢顯著，而且還在軟組織形成方面意義突出。蘇志飛等[31]在研究用硼酸鹽生物玻璃去修復(fù)雙膦酸鹽相關(guān)性頜骨壞死（bisphosphonates associated with jaw necrosis,BRONJ）所致的骨缺損的過程中也發(fā)現(xiàn)：硼酸鹽BG 可以消除雙膦酸鹽對骨髓間充質(zhì)干細胞以及人臍周內(nèi)皮細胞（Periumbilical endothelial cells,PEC）增殖和功能的抑制，上調(diào)VEGF 的表達，促進BPs 骨缺損區(qū)的骨組織及軟組織的愈合。含硼的BG 在上述研究中表現(xiàn)出較強的血管形成與骨形成作用，這對以后組織再生意義重大。

2.3.2 Zn2+對BG 降解過程的影響 鋅是人體必需的痕量元素之一，而ZnO 能促進骨生成，抑制骨吸收，利于骨組織再生，還有殺菌消毒的作用[32]，在骨代謝中發(fā)揮作用。在生物活性玻璃網(wǎng)絡(luò)中，若用ZnO替代CaO,可使BG降解變慢。Zn2+加入生物玻璃中是以[ZnO4]2-的形式存在，Zn作為中間氧化物穩(wěn)定了硅氧網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，促進玻璃網(wǎng)絡(luò)聚合，使離子溶出速度變慢，使BG 降解性能下降[33,34]。這與郭煒煌[15]將四角狀氧化鋅添加到BG與明膠的復(fù)合體中得出ZnO 能降低復(fù)合體的體外降解性能的結(jié)論一致，但Zn2+的溶出依然有利于成骨細胞的增殖，這與Zn2+自身的成骨作用有關(guān)。研究均證實Zn2+的存在確實在影響B(tài)G 的降解性能的同時也參與了骨組織的代謝。

2.3.3 Sr2+對BG降解性能的影響 鍶是牙齒和骨骼的重要組分，鍶有助于成骨細胞的分化和骨生成，阻止破骨細胞分解[35]，改善骨代謝，與Ca 起協(xié)同效應(yīng)，預(yù)防骨質(zhì)疏松。當用痕量元素Sr2+替換Ca2＋，硅酸鹽BG 降解速度加快，并且與Sr 的含量成正相關(guān)[36]。但有時也因SrO 含量的不同，對降解的影響也不同。有研究發(fā)現(xiàn)：在硼硅酸鹽BG 中SrO 的含量≥8%（wt%）時，BG 的降解加快，反之，降解則變慢，在SrO 的含量<6%（wt%），玻璃網(wǎng)絡(luò)最穩(wěn)定[37]。這很好的解釋了林博偲等[38]將摻雜了鍶與不摻鍶的復(fù)合PVA/BG 水凝膠進行對比,發(fā)現(xiàn)前者HA 的形成情況以及材料的降解速率反而低的現(xiàn)象。鍶較強的成骨能力體現(xiàn)在它可縮短成骨過程，與鋰協(xié)同，效果更明顯[39]，此外，其還可促進血管再生。Zhao 等[40]將摻鍶的BG 微球支架植入大鼠骨缺損的部位，隨著BG 降解釋放出Sr2+，發(fā)現(xiàn)其可以增強血管內(nèi)皮細胞（Vascular endothelial cells,VEC）的作用，促進血管再生。雖然摻入的鍶本身具有溶解性，但是其摻入量太少，不足以因為其自身的溶解導(dǎo)致離子濃度變化，而是通過改變BG 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而調(diào)控離子的釋放[41]。摻入不同量的鍶對BG 降解性能的影響確有差異，展示了其很好的發(fā)展前景。

2.3.4 Cl 元素對BG 降解性能的影響 氯元素可以調(diào)控體內(nèi)酸堿及電解質(zhì)的平衡，若體外氯含量過低會影響離子轉(zhuǎn)運進而抑制成骨細胞增殖遷移阻礙其成骨作用[42]。氯元素可以使BG快速降解形成HA 層，具有很強的成骨活性，這與李步云等[43]在氯含量對BG 成骨活性的研究中的結(jié)論相一致，但目前Cl 元素是如何影響B(tài)G 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其降解性能發(fā)生改變，還尚不明確，有待進一步研究。

上述元素對BG降解性能影響的差異，其本質(zhì)是因為它們不同程度改變了生物玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，影響了Ca/P比。除摻入上述離子可以改變生物活性玻璃的降解速率外，還可通過添加其他元素改善BG的降解性能，如Mg元素、F元素可降低其降解能力，Al元素可加快其降解能力，而BG降解變快的同時一般會導(dǎo)致其力學(xué)性能的下降，我們則可通過添加Ti元素與Zr元素改善其彎曲強度、斷裂韌性[44,45]，進而提高其力學(xué)性能。引入不同元素改變生物活性玻璃的功能，滿足多變的臨床是我們亟需面對的問題。

3.結(jié)語與展望

生物活性玻璃具有良好的成骨、成血管、組織修復(fù)作用，它優(yōu)異的生物學(xué)性能使其更具發(fā)展前景。雖然其在很多方面取得了成就，然而在如何增強BG 的機械性能，使其被用于機體大塊骨組織缺損區(qū)的修復(fù)；如何在降解速率與新骨形成速率匹配的同時縮短生物玻璃材料用于修復(fù)的時間，提高效率，降低成本；如何更好地解決諸多性能之間的矛盾；如何添加其他功能材料開發(fā)出其他治療功能等方面仍還需要繼續(xù)研究。因此，對BG 的生物學(xué)特性的研究仍是我們要繼續(xù)探索的重點。