生物活性玻璃在軟組織修復(fù)中的應(yīng)用

李文博 張浩然 郭峰 楊松林

【提要】 生物活性玻璃（Bioactive glasses，BGs）已經(jīng)在再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，其與體液接觸可產(chǎn)生碳酸羥基磷灰石，從而與骨組織緊密結(jié)合，所以常用于骨缺損或牙齒的替代、再生及修復(fù)。隨著技術(shù)與材料的逐漸發(fā)展，越來越多的證據(jù)證明了BGs 在軟組織修復(fù)中的發(fā)展?jié)摿?。BGs 具備一定的抗菌作用，這種特性在組織修復(fù)中的優(yōu)勢明顯，通過改變其組分，或與不同材料（如功能性離子、聚合物、生物因子等）結(jié)合，能更快速有效地促進(jìn)傷口愈合。本文回顧了BGs 的發(fā)展進(jìn)程，并通過傷口修復(fù)機(jī)制探討B(tài)Gs 加速傷口修復(fù)的可能機(jī)制，最后對BGs 在傷口修復(fù)中的研究發(fā)展趨勢進(jìn)行解讀。

目前，組織工程技術(shù)已經(jīng)成為促進(jìn)傷口修復(fù)的重要手段之一。生物活性玻璃（Bioactive glasses，BGs）經(jīng)過了50 余年的發(fā)展[1]，不同的BGs 成分和功能不同，如最初的硅酸鹽BGs和如今的硼酸鹽與磷酸鹽BGs[2]。BGs 早期主要用于骨和牙齒的修復(fù)研究[3-4]，近年來BGs 在軟組織，尤其是傷口修復(fù)中的作用逐漸受到重視。通過在創(chuàng)面局部應(yīng)用不同成分的生物活性材料，可以達(dá)到抗炎、抗感染、促進(jìn)血管生成、加速傷口愈合等目的。BGs 可與其他材料（如一些功能性離子、藥物、生物因子等）結(jié)合，發(fā)揮協(xié)同作用。本文將根據(jù)BGs 的組分，對近年來BGs 應(yīng)用于創(chuàng)面修復(fù)的原理、機(jī)制及效果進(jìn)行綜述。

1 生物活性玻璃

1.1 BGs 的組成和結(jié)構(gòu)

BGs 最初由Hench 等[1]在1971 年報(bào)道，其主要成分為45%SiO2、24.5%Na2O2、4.5%CaO 和6%P2O5，隨后在1985 年開始應(yīng)用于臨床[5]。通過與不同比例的無機(jī)氧化物結(jié)合，BGs 家族衍生出更多不同的BGs[2]。目前，BGs 包括3 種主要成分：成網(wǎng)氧化物（如SiO2、B2O3和P2O5等）、網(wǎng)絡(luò)外體氧化物（如Na2O、CaO、MgO 和K2O 等）以及兩性氧化物（如Al2O3、ZnO、ZrO2和TiO2等）[6]。根據(jù)成網(wǎng)氧化物的不同，BGs 又可分為硅酸鹽基、硼硅酸鹽/硼酸鹽基和磷酸鹽基3 種。網(wǎng)絡(luò)外體氧化物則起到增強(qiáng)生物材料表面生物活性的作用[7]。此外，硅、磷、鍶、銅、銀、鋅和氟等離子也可以加入生物玻璃，起到修飾其生物活性的作用，如促進(jìn)細(xì)胞增殖、加速局部生化反應(yīng)、刺激血管生成以及抗炎抗菌等，從而在軟組織修復(fù)進(jìn)程中起到重要作用[8-12]。

由于BGs 在體內(nèi)逐漸降解，所含離子會(huì)隨著降解逐漸釋放（如Na+和Ca2+等），這種釋放會(huì)造成組織局部pH 升高，高堿性環(huán)境會(huì)使生物材料加速分解，并造成材料表面碳酸羥基磷灰石（Hydroxy carbonate apatite，HCA）的形成延后，從而影響材料的生物活性[13-15]。因此，Goel 等[16-18]開發(fā)了一種新的BGs，其中不含Na+，取而代之的是70%透輝石、10%氟磷灰石和20%磷酸三鈣，體外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)其燒結(jié)性能更好、溶出率降低、生物活性更高[16]。BGs 降解導(dǎo)致的局部組織pH 升高是其抗菌作用的原理之一[15，19]，所以進(jìn)一步研究應(yīng)聚焦于BGs具備更好的生物活性的同時(shí)，能否保持其較好的抗菌效果。

隨著對BGs 研究的深入，各種功能性離子將更有效地與BGs 相結(jié)合并發(fā)揮更高的效力。例如，功能離子需要合適的傳遞媒介在生物體中發(fā)揮作用，而傳統(tǒng)BGs 不能很好地達(dá)到上述目的。Yan 等[20]報(bào)道的介孔生物活性玻璃（Mesoporous BGs，MBGs），具有超高的比表面積（＞100 m2/g）和高孔隙體積。MBGs 可通過不同的材料形式制作，如納米粒子、分層支架以及纖維等。與傳統(tǒng)BGs 相比，其傳遞離子的效率更高；MBGs 還可加載細(xì)胞因子或藥物（如抗生素、生長因子，甚至抗癌藥物等[21-22]）以促進(jìn)組織再生。

1.2 BGs 的生物特性

生物材料的生物活性是指能在材料與生物組織界面上誘發(fā)特殊生物、化學(xué)反應(yīng)的特性，這種反應(yīng)使材料和組織間形成化學(xué)鍵合。BGs 的生物活性主要體現(xiàn)在當(dāng)BGs 與體液接觸時(shí)會(huì)形成碳酸羥基磷灰石（Hydroxy carbonate apatite，HCA），HCA 的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)均與天然磷灰石（即骨的礦物質(zhì)結(jié)構(gòu)）相似。因此，生物材料表面的HCA 被認(rèn)為是在植入物和組織界面形成穩(wěn)定結(jié)合的初始步驟之一[23-24]，BGs 在體內(nèi)可充分與骨及其他組織結(jié)合[25-26]。這也是BGs 有別于其他生物材料的主要優(yōu)勢。

BGs 的抗菌特性表現(xiàn)在以下幾方面：①一些BGs 在分解過程中會(huì)釋放Si4+、Na+和Ca2+，引起局部環(huán)境的pH 和滲透壓升高，從而產(chǎn)生抗菌作用[15，19，27]；②與BGs 結(jié)合的金屬離子也能起到抗菌作用[28]；③BGs 也可通過產(chǎn)生活性氧類（Reactive oxygen species，ROS）破壞細(xì)菌的DNA 和RNA 而達(dá)到抗菌的目的[2，27]。

1.3 BGs 與功能性離子

在生理?xiàng)l件下，BGs 在體內(nèi)逐漸降解的同時(shí)，其包含的各種離子被逐漸釋放，起到輔助止血、抗感染、加速血管再生以及輔助創(chuàng)面愈合的作用[2，13]。銀離子（Ag+）擁有其他金屬離子不能比擬的抗菌抗炎效果，對革蘭氏陰性菌的抗菌性能優(yōu)于革蘭氏陽性菌[2]。銅離子（Cu2+）可促進(jìn)血管化，同時(shí)具有一定的抗菌作用，還有研究證明其有促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖的作用[9，29-31]；鋅離子（Zn2+）也具有一定的抗菌及促進(jìn)血管生成的特性[12，32]，從BGs 中釋放的Zn2+通過產(chǎn)生ROS 并在細(xì)胞質(zhì)或細(xì)菌外膜積累而產(chǎn)生抑菌作用[12]。鈰離子（Ce3+）同樣具有抗菌性能，其抗菌機(jī)制與Zn2+類似；Ce3+有利于成骨細(xì)胞的生長，改善骨的力學(xué)性能，促進(jìn)骨形成的功能[33-35]。鎵離子（Ga3+）可有效治療局部感染，抑制生物膜形成，并對游離細(xì)菌和生物膜細(xì)胞具有殺菌作用[33，36]。Kurtuldu 等[33]將鎵和鈰摻入MBGs中，表現(xiàn)出對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌良好的抗菌性能。鈣離子（Ca2+）擁有輔助止血、促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、增加胰島素樣生長因子的表達(dá)，以及促進(jìn)表皮細(xì)胞增殖等作用[37-38]。鍶離子（Sr2+）可促進(jìn)細(xì)胞生長和繁殖而起到加速組織重建的作用。盡管功能性離子的作用明顯，但是隨著BGs 降解而釋放的金屬離子在局部濃度升高而可能引起的毒性不容忽視。

1.4 BGs 與天然聚合物

聚合物可分為兩類：人造聚合物和天然聚合物[25，39-40]。其中，天然聚合物可分為3 種：蛋白質(zhì)（如膠原蛋白、明膠、絲纖蛋白等），多聚糖（如殼聚糖、透明質(zhì)酸、藻酸鹽、纖維素等）和多聚核苷酸（如DNA、RNA 等）[39，41]。聚合物生物相容性高，且屬于非細(xì)胞材料，目前被廣泛應(yīng)用于組織工程研究中。然而，這些聚合物生物活性及機(jī)械強(qiáng)度較低，限制了其應(yīng)用。BGs所擁有的生物活性和再生潛能則彌補(bǔ)了天然聚合物的缺陷[26]。

以膠原蛋白為例，膠原蛋白是細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分，擁有高生物相容性及低免疫原性[42]。膠原蛋白通過成纖維細(xì)胞的作用來控制細(xì)胞遷移、增殖和分化的周期，在軟組織修復(fù)過程中起到必不可少的作用[42]。在眾多人造輔料中，哺乳動(dòng)物膠原蛋白由于其良好的傷口愈合效果，已經(jīng)被公認(rèn)為臨床上較好的選擇。然而，膠原蛋白的高降解率和較低的力學(xué)強(qiáng)度則限制了其應(yīng)用。通過將膠原蛋白和BGs 結(jié)合不僅能增強(qiáng)其力學(xué)強(qiáng)度，還能產(chǎn)生抗炎抗菌效果，更能滿足臨床應(yīng)用的需求。Zhou 等[43]制備了仿生電紡魚膠原蛋白/生物活性玻璃（Col/BGs）納米纖維，在擁有足夠的拉伸強(qiáng)度和抗菌活性的前提下，還能促進(jìn)人角質(zhì)形成細(xì)胞的黏附、增殖和遷移，從而加速創(chuàng)面愈合。

2 生物活性玻璃在傷口修復(fù)中的應(yīng)用

2.1 傷口修復(fù)的過程

傷口是“正常解剖結(jié)構(gòu)和功能破壞”的結(jié)果[44]，傷口愈合是一個(gè)復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的生理過程，涉及多種細(xì)胞因子和生長因子的分泌，以及多種不同類型細(xì)胞的相互作用[45-46]。通常情況下，急性傷口愈合是機(jī)體的一種自然再生過程。傷口愈合包括3 個(gè)階段，即炎癥反應(yīng)、新組織形成（增殖）以及組織重塑（成熟）[47-48]。

炎癥反應(yīng)發(fā)生在損傷即刻，此時(shí)血管收縮、血小板聚集、凝血級聯(lián)反應(yīng)等共同發(fā)揮止血作用，防止液體丟失[47]。免疫系統(tǒng)通過免疫細(xì)胞聚集、活化、分泌等發(fā)揮免疫功能，從而清除已經(jīng)死亡或失去活力的組織，預(yù)防感染[48]。損傷修復(fù)的第二階段是新組織形成，發(fā)生在受傷后2～10 d，此時(shí)有多種不同類型的細(xì)胞增殖和遷移，如角質(zhì)形成細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞及其分化而成的肌成纖維細(xì)胞等[48]。在此期間，各個(gè)修復(fù)進(jìn)程同時(shí)發(fā)生，包括表皮細(xì)胞再生、血管生成以及重新形成細(xì)胞外基質(zhì)，從而導(dǎo)致肉芽組織生成及傷口收縮[47-49]；另外，血管內(nèi)皮生長因子A（VEGFA）及成纖維細(xì)胞生長因子2（FGF2）對血管的形成起到重要作用[48]。組織重塑是傷口愈合的最終階段，從受傷后的2～3 周開始，可持續(xù)1 年或更長時(shí)間[48]。期間膠原蛋白緩慢分解、合成以及重塑[47]；細(xì)胞外基質(zhì)則經(jīng)歷了從Ⅲ型膠原蛋白到Ⅰ型膠原蛋白的重塑[48]。

對于免疫力低的患者，多因素可導(dǎo)致切口愈合不良而形成慢性傷口，如糖尿病潰瘍患者有高感染風(fēng)險(xiǎn)，且該風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)存在[50]。因此，加速凝血或及時(shí)止血、預(yù)防感染以及加速血管再生，均對傷口愈合有決定性作用。BGs 通過與一些功能性離子相結(jié)合，在體內(nèi)降解的過程中逐漸釋放功能性離子，可以達(dá)到促進(jìn)血管再生、抗感染并促進(jìn)創(chuàng)面愈合等效果。

2.2 BGs 在軟組織修復(fù)中的作用

根據(jù)BGs 與骨結(jié)合的特性，初期BGs 主要用于骨骼和牙齒的修復(fù)中[5]。Wilson 等[51]在1981 年首次發(fā)現(xiàn)BGs 與軟組織結(jié)合的特性。1982 年，Merwin 等[52]發(fā)現(xiàn)BGs 與膠原蛋白結(jié)合的能力，并具有保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞及增強(qiáng)縫隙連接并加速傷口愈合的能力[53]。BGs 可上調(diào)軟組織修復(fù)相關(guān)基因的表達(dá)，如血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、堿性成纖維細(xì)胞生長因子（bFGF）和血管細(xì)胞黏附分子（VCAM）等。因此，除了大量骨相關(guān)的BGs研究，已有眾多研究聚焦于BGs 在軟組織修復(fù)中的作用。

如前文所述，BGs 包括硅酸鹽、硼酸鹽以及磷酸鹽BGs，其中以硅酸鹽，如SiO2為主要成分的BGs，在組織中不能完全降解，且降解速率慢。盡管如此，不可忽略的是，由于Si4+的存在，硅酸鹽BGs 可以提高傷口局部pH 值并以此產(chǎn)生抗菌作用。Si4+還可以調(diào)控轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）、膠原蛋白Ⅰ和Ⅲ的表達(dá)并刺激新血管形成[26,54]。研究認(rèn)為，可以通過改變硅酸鹽濃度等方法以增強(qiáng)硅酸鹽BGs 對軟組織的生物活性[55]。如何通過改變硅酸鹽濃度以達(dá)到生物活性和傷口修復(fù)能力之間的平衡，目前尚無統(tǒng)一定論。此外，Si4+對創(chuàng)面修復(fù)的具體分子機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

與硅酸鹽BGs 相比，硼酸鹽BGs 在創(chuàng)面修復(fù)中的作用更明顯[31]，其在軟組織修復(fù)中的生物活性較硅酸鹽BGs 更高，主要體現(xiàn)在HCA 轉(zhuǎn)化率及轉(zhuǎn)化速率有所提高[31，56]。由于降解速率增快，鈣離子隨著硼離子一起快速釋放，從而加速了凝血進(jìn)程，因此創(chuàng)面愈合速度更快[57]。磷酸鹽BGs 表現(xiàn)出良好的促進(jìn)神經(jīng)再生的能力[14，23]。由此可見，三種BGs 對軟組織修復(fù)均有積極作用，雖然已經(jīng)有諸多研究改進(jìn)了BGs 并對其相關(guān)機(jī)制進(jìn)行探究，但仍需要對BGs 在軟組織修復(fù)中的作用及其相關(guān)機(jī)制進(jìn)行深入研究。

在軟組織修復(fù)中，生物活性玻璃納米顆粒（Bioactive glass nanoparticles，BGN）促進(jìn)軟組織修復(fù)的機(jī)制與普通微米級BGs 類似，但BGN 的尺寸更小、表面積體積比更大，更容易制備成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的填充材料[58]。BGN 的特殊特性使其能更均勻緊密地與其他材料結(jié)合，如藥物、生物分子等，所增加的表面積則有利于藥物及生物分子的控制釋放[58-59]。

3 展望

雖然目前關(guān)于BGs 的研究主要集中在骨缺損修復(fù)中，但其加速止血、抗炎、生血管、抗感染的作用，使人們對其創(chuàng)面修復(fù)的作用產(chǎn)生極大興趣。BGs 本身的成分就復(fù)雜多變，加入其他輔助物質(zhì)，如人造/天然聚合物、各種功能離子、藥物以及生長因子等，能發(fā)揮不同效果以達(dá)到不同的修復(fù)目的。很明顯，BGs 的成分及制造不存在一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)，即某種成分比例的BGs 能在各個(gè)方面均達(dá)到最佳效果，如何通過調(diào)整材料成分、比例、大小、劑量等，以在不同修復(fù)機(jī)制下達(dá)到令人滿意的效果，還需要深入探究。此外，雖然人們對傷口修復(fù)的機(jī)制有一定的理解，但目前仍存在尚未明確的機(jī)制。同樣，BGs 對于復(fù)雜傷口的修復(fù)機(jī)制也需進(jìn)一步探索。

創(chuàng)面修復(fù)研究的主要重點(diǎn)仍是快速形成健康組織，BGs在創(chuàng)面愈合的各個(gè)階段均可產(chǎn)生一定的積極或消極影響，如局部pH 的改變等。此外，BGs 的成分和與BGs 結(jié)合的物質(zhì)成分在某一方面可能會(huì)達(dá)到相同的治療效果，兩種治療效果是疊加還是冗余尚需明確。傷口愈合是一種長期過程，從止血到傷口閉合，一直到瘢痕增生或消退，均屬于傷口愈合的過程。BGs 能否（或是否有必要）在這種長期過程中持續(xù)發(fā)揮效力，并如何長期持續(xù)發(fā)揮作用，仍需進(jìn)一步探究。