骨修復(fù)材料生物活性玻璃礦化性能影響因素的研究進展*

王建春 劉淵君 王宏遠

因創(chuàng)傷、骨疾病及感染等因素所導(dǎo)致的骨組織缺損患者數(shù)目巨大，當(dāng)缺損較小時機體能夠自行修復(fù)，缺損較大時就需要外界干預(yù)才能達到良好的骨修復(fù)效果［1，2］。目前，外界干預(yù)的最主要方法是骨移植，因移植自體骨造成二次損傷以及移植異體骨所存在的免疫排斥反應(yīng)、疾病傳染風(fēng)險等問題暫未得到有效解決，二者的應(yīng)用受到了一定的限制［3］。近年來人工合成骨修復(fù)材料逐漸嶄露頭角，這類材料擁有諸多優(yōu)點，比如利于細胞生長、促成骨性能強等［4］。理想的骨修復(fù)支架材料應(yīng)具有以下特點：（1）支架應(yīng)具有大的比表面積，可在提供理想的機體微環(huán)境的同時使成骨細胞（Osteoblast，OB）擁有可依附的穩(wěn)定的三維空間。（2）材料植入人體后，可在其表面形成能與骨組織牢固結(jié)合的羥基磷灰石層。（3）材料的降解速率應(yīng)是適宜且可控的，使其與新生骨發(fā)生的速率保持一致［5，6］。但目前很少有材料能達到這樣的標(biāo)準。生物活性玻璃（Bioactive glass，BG）在促進硬組織再生的同時對軟組織也有鍵合和修復(fù)的作用［4］，具有很大的研發(fā)價值。本文將綜述影響骨修復(fù)材料生物活性玻璃礦化性能的因素，旨在為生物活性玻璃礦化性能研究提供思路。

1.生物活性玻璃簡介

生物活性玻璃（Bioactive glass，BG）由美國的Hench課題組于1969年研發(fā)而成。近年來，有相關(guān)報道表明，BG具有獨特的骨誘導(dǎo)能力，能夠上調(diào)宿主成骨基因的表達，引導(dǎo)骨生成，同時還具有生物降解性，生物相容性和骨傳導(dǎo)特性［7-9］。BG植入人體后，與體液微環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，在表面形成碳酸羥基磷灰石（Carbonated hydroxylapatite，HCA）［10］，HCA通過吸附膠原和細胞與骨組織形成化學(xué)鍵結(jié)合，其界面結(jié)合力可達到骨組織間的三到四倍，礦化實驗時HCA形成速率被作為評判生物活性玻璃礦化性能的指標(biāo)。目前市面上的生物活性玻璃產(chǎn)品的理化性能尚不能達到理想的骨組織修復(fù)材料所要求的標(biāo)準，所存在的問題主要有：（1）機械性能較差，植入后受到外力易塌陷，不能用以承重骨的缺損修復(fù)。（2）當(dāng)前產(chǎn)品多為顆粒狀，常用的制備工藝無法制備三維網(wǎng)狀支架用于臨床。（3）產(chǎn)品材料組分不均勻，顆粒部分二氧化硅含量高，導(dǎo)致降解速率緩慢，與新骨合成速率不匹配。（4）產(chǎn)品功能成分單一，不能在修復(fù)骨缺損的同時達成其他的治療目的。

為了使生物活性玻璃能滿足臨床對于骨修復(fù)材料的要求，學(xué)者們從改變制備工藝、改變材料的成分以及制備復(fù)合材料三個方面探索改善生物活性玻璃礦化性能的方法。

2.生物活性玻璃的制備對其礦化性能的影響

高溫熔融法是生物活性玻璃傳統(tǒng)的制備方法，將原料混合在一起經(jīng)高溫熔融充分反應(yīng)，過水淬冷，然后干燥去除水分形成生物活性玻璃，其代表產(chǎn)品是45S5?，化學(xué)組分為46.1mol% SiO2-24.4mol% Na2O-26.9mol% CaO-2.6mol%P2O5［11］。臨床上為修復(fù)牙周骨組織缺損使用的倍骼生（PerioGlass?），已應(yīng)用達近二十年，為促進骨折愈合采用的固骼生（NovaBone?）應(yīng)用也已超過十五年，均取得了令人滿意的療效。但因高溫熔制工藝條件復(fù)雜、高溫揮發(fā)和元素污染會導(dǎo)致很多問題，如材料的組成成分不均勻、理化性能及生物學(xué)性能不夠理想、孔隙率低、比表面積小、降解速率慢和礦化性能差等［12，13］。后不斷有學(xué)者探索其他制備方法來克服這些缺點。

2.1 溶膠-凝膠法 在上世紀九十年代，有學(xué)者開始將溶膠-凝膠法應(yīng)用到BG的制作中。李正茂通過此法制備了BG并進行體外礦化實驗，通過掃描電鏡照片觀察到隨著時間推移，材料表面逐漸出現(xiàn)了成核生長的晶體，最終被針葉狀的反應(yīng)產(chǎn)物所覆滿，經(jīng)X射線衍射和傅氏轉(zhuǎn)換紅外光譜分析表明，該礦化層為HCA晶體［4］。溶膠-凝膠法制備BG操作方便，可設(shè)計剪裁BG的形狀和大小，并具有獨特的微孔結(jié)構(gòu)，使其有更優(yōu)異的體外礦化性能和生物活性，但也存在其他問題，如顆粒聚集不易分散，材料的孔隙直徑無法達到相統(tǒng)一［4，14］。

2.2 模板合成法模板合成法是傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法結(jié)合模板自組裝技術(shù)的制備方法。將模板加入到反應(yīng)體系中，隨著溶劑的蒸發(fā)，模板與BG無機前體結(jié)合成自組裝凝聚體，最終加熱去除模板后得到BG支架。余承忠使用此法制備了納米生物活性玻璃（Nanoscale bioactive glass，NBG），經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)相比于溶膠-凝膠法，此法可準確地制作出所需形狀及大小的支架材料，且支架具有高度有序的介孔結(jié)構(gòu)，可有效地增加細孔總?cè)莘e與比表面積，能高效地進行支架與機體組織之間的相互作用，礦化性能更強［15］。后有很多學(xué)者在反應(yīng)體系中添加雙模板，制備出的BG支架可同時存在直徑較大的大孔結(jié)構(gòu)（＞50nm）與直徑較小的介孔結(jié)構(gòu)（2-50nm）［16］，由此制備出的多級孔生物活性玻璃（Multistage aperture bioactive glass，MABG），結(jié)構(gòu)上更接近天然骨，擁有良好的礦化性能［17］。

隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新還出現(xiàn)了其他各具優(yōu)勢的生物活性玻璃制備工藝，如可以滿足臨床個性化需求的3D打印技術(shù)等，但由于技術(shù)不成熟以及成本高昂等原因，如今市面上的生物活性玻璃制備工藝仍以熔融法為主，如何優(yōu)化其他制備工藝以及降低成本，使生物活性玻璃得以量產(chǎn)是今后亟需解決的問題。

3.改變成分對生物活性玻璃礦化性能的影響

傳統(tǒng)生物活性玻璃主要包含三種元素，分別為鈣元素、硅元素和磷元素。在此基礎(chǔ)上摻入其他元素或改變原有元素含量也是影響生物活性玻璃礦化性能的重要方法。

3.1硼元素 劉瑜在生物活性玻璃中摻入硼元素，反應(yīng)生成B2O3和B2O3SiO2網(wǎng)絡(luò)生成體氧化物，硅氧四面體（silicon-oxy tetrahedron，SiO44-）和硼氧三角體（Boroxy deltoid，BO33-）作為形成此氧化物的結(jié)構(gòu)單元，性能不穩(wěn)定，易形成更多的斷面。單元結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂后，BG的細孔總?cè)莘e和比表面積增加，礦化性能得到加強［18］。在常宇辰及張愛娟的研究中也證實了這一點［19，20］。

3.2 鍶元素 在骨修復(fù)過程中，免疫微環(huán)境起著十分重要的作用。巨噬細胞（Macrophages，m?）可作為免疫微環(huán)境是否適合成骨的指示劑。材料被植入體內(nèi)后，巨噬細胞受到刺激向不同方向極化：M1型巨噬細胞不利于成骨，而M2型巨噬細胞利于成骨。一定濃度的鍶元素能誘導(dǎo)巨噬細胞極化方向，使局部形成適宜的成骨免疫微環(huán)境［21］。在林博等人的研究中，摻雜了鍶元素的復(fù)合PVA/生物活性玻璃水凝膠能增強軟骨細胞增殖，但體外礦化實驗表現(xiàn)出的礦化性能反而低于不摻雜鍶元素組［22］。這種現(xiàn)象在趙寅生的實驗中得到了解釋，Sr的摻入能使玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加松散，可改變離子釋放速率進而改變礦化性能。但具體影響效果與Sr摻入的量有關(guān)，當(dāng)SrO的含量多于8wt%時，BG的礦化性能增強，反之，若低于8wt%性能減弱，尤其在SrO低于6wt%時，玻璃網(wǎng)絡(luò)最穩(wěn)定，性能最弱［23］。摻入多少鍶能達到最佳的平衡點，仍需我們進一步實驗研究。

3.3 磷元素 傳統(tǒng)的生物活性玻璃中包含有磷元素，某些學(xué)者發(fā)現(xiàn)改變磷元素的含量對BG的礦化性能也有影響。陳露等人制備了不同磷含量的BG，在體外實驗中選擇前成骨細胞（MC-3T3）做指示劑評價材料的礦化性能；在體內(nèi)實驗中，將材料植入大鼠顱骨缺損模型模擬臨床場景來探究材料成骨作用。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)BG降解會導(dǎo)致機體局部pH值的升高，而高磷BG中的磷元素可以抑制這一變化，利于材料與骨的結(jié)合。此外，體外實驗顯示高磷BG礦化性能良好；體內(nèi)實驗顯示BG能促進成骨細胞分化、促進膠原以及礦化結(jié)節(jié)的形成，且高磷含量組（3.62mol%、5.07mol%）促礦化結(jié)節(jié)的形成能力最強。本研究中制備的BG呈現(xiàn)磷含量越高，新骨礦化生成越多，速度越快的趨勢［24］。Tilocca的研究表明，含60wt%以上SiO2的生物活性玻璃的礦化性能差，植入后不易與骨骼產(chǎn)生結(jié)合。而含磷的生物活性玻璃與鈉鈣硅酸鹽玻璃相比，網(wǎng)絡(luò)形成體中的部分Si-O鍵被更不穩(wěn)定的P-O-Si鍵所替代，使含磷生物玻璃的表面呈現(xiàn)出更明顯的親水性，加快玻璃的降解使礦化性能增強。但是，隨著磷含量的增加硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)變得越來越緊密，礦化性能反而減弱［25］。因此就對于礦化性能的影響而言，磷含量的增加導(dǎo)致兩個相反的作用，需要進一步實驗進行探索。

3.4 氟元素 氟化物已被公認為可以預(yù)防齲齒，以適當(dāng)?shù)膭┝拷o藥可有效促進骨形成并預(yù)防與骨質(zhì)疏松癥有關(guān)的骨折。Gentleman等人通過熔融法制備生物玻璃，并在其中摻入氟元素，經(jīng)體外細胞培養(yǎng)實驗及定量實驗發(fā)現(xiàn)，高氟生物活性玻璃組的堿性磷酸酶活性明顯高于低氟組，并且礦化形成了高密度骨結(jié)節(jié)［26］。表明將氟元素摻入生物活性玻璃可增強其礦化性能。

此外，許多學(xué)者做了其他改變生物活性玻璃成分來提高其礦化性能的努力。如劉璐在生物活性玻璃陶瓷中摻入鋰元素，發(fā)現(xiàn)能明顯促進成血管相關(guān)基因的表達，利于組織修復(fù)過程中增加血運，提高礦化性能［27］。李步云發(fā)現(xiàn)將氯元素加入生物活性玻璃中可增加成骨細胞活力，加快支架的降解速率，增強礦化性能［28］。林榮才在生物活性玻璃中加入銅，能促進軟骨細胞的增殖，調(diào)控免疫微環(huán)境［29］?？梢娡ㄟ^改變生物活性玻璃材料的成分來增強其礦化性能，可取得顯著效果，但仍需深入研究。

4.制作復(fù)合支架對生物活性玻璃礦化性能的影響

生物活性玻璃的另一應(yīng)用方式是加入到其他的生物支架材料中制作復(fù)合支架來改變其礦化性能。

4.1 聚乳酸生物活性玻璃復(fù)合支架 馬麗娟等人選擇水這一安全穩(wěn)定且環(huán)境友好的材料為制孔劑，用冷凍干燥法制作成聚乳酸-生物活性玻璃復(fù)合支架。在掃描電鏡下可見，復(fù)合支架的表面結(jié)構(gòu)呈截斷樣形態(tài)，其間有不均一的孔隙相聯(lián)通。在體外礦化實驗觀察到材料表面被絨毛狀的羥基磷灰石晶體完全覆蓋，呈連續(xù)有規(guī)律但并不均勻的分布，且隨著實驗不斷地進行，晶體更加緊致，含量進一步增多。表明該復(fù)合支架有令人滿意的礦化性能［30］。后期該組人員又以1，4-二氧六環(huán)與二氯甲烷作為致孔劑，采用相同工藝制成聚乳酸-生物活性玻璃復(fù)合支架，進行細胞相容性試驗證明支架材料安全性高，無細胞毒性［31］。

4.2 生物活性玻璃/改性明膠復(fù)合支架 鄭佳富采用冷凍干燥法結(jié)合逐步交聯(lián)法制備生物活性玻璃/改性明膠復(fù)合水凝膠。實驗表明復(fù)合水凝膠具有出色的體外礦化性能，且BG含量越高，羥基磷灰石形成能力越強［6］。這是因為高BG含量的支架具有更多的位點來成核并釋放出更多的鈣離子和磷離子，更有利于羥基磷灰石的形成［32］。

4.3 微納米生物活性玻璃/聚乳酸羥基乙酸共聚物多級孔復(fù)合支架 田婷采用冷凍干燥法制備出具有相互通聯(lián)的多孔結(jié)構(gòu)的微納米生物活性玻璃/聚乳酸羥基乙酸共聚物復(fù)合支架，并采用莰烯作為輔助造孔劑成功制備了多級孔結(jié)構(gòu)。比較不同的配比對此支架礦化性能的影響，微納米生物活性玻璃（Micro-nano bioactive glass，MNBG）含量為0%的支架組在模擬體液（Simulated body fluid，SBF）中沒有磷灰石沉積物產(chǎn)生，加入MNBG的復(fù)合支架則有豐富的HCA形成。最終證實MNBG的加入，可顯著提升復(fù)合支架的礦化性能。而利用莰烯制作出的多級孔結(jié)構(gòu)復(fù)合支架不僅孔隙之間相互通聯(lián)，而且孔壁上也有相當(dāng)多的小孔，能促進支架與SBF的充分接觸，顯著提升其羥基磷灰石形成能力，且形成的磷灰石沉積物比多孔支架形成的產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)上更接近HCA。細胞學(xué)結(jié)果顯示支架的生物相容性良好，較大的表面積利于小鼠骨髓間充質(zhì)干細胞的黏附和增殖，同時還可增強成血管標(biāo)志物（CD31）的表達促進血管生成，增加血供［33］。多級孔結(jié)構(gòu)因與天然骨組織高度相似，在礦化成骨及成血管分化方面更具優(yōu)勢。

5.結(jié)語

通過眾多學(xué)者的研究以及多年的臨床使用證實，BG是具有很大潛力的骨組織修復(fù)材料。但BG存在的不足仍很明顯。學(xué)者們致力于各種途徑克服其缺點，提高生物活性玻璃的礦化性能，拓寬材料的應(yīng)用范圍，以滿足臨床需求。如何改善制備工藝降低成本使其量產(chǎn)，探究最佳的成分組成以及尋找更合適的復(fù)合材料，仍應(yīng)更深一步的研究。