离子掺杂对有序介孔生物玻璃结构及性能的影响综述

杨笑然，吴振宁，吴志炜，王博文，张垠

(南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009)

0 引 言

生物玻璃是一类能够在生物体内发挥特定生理功能的医疗材料。由于其拥有优秀的细胞相容性(促进细胞增殖能力、良好的细胞粘附能力及低毒性)[1]，吸引了大量生物材料领域研究人员的目光。许多研究人员致力于从事生物玻璃开发和应用的研究工作。生物玻璃作为一种有生物活性的无机材料，在模拟细胞外液环境(SBF)中能够诱导羟基磷灰石(HA)的形成，同时羟基磷灰石也是人体骨组织的无机成分并且与有机界面接触后能够诱导骨组织的生成与修复[2-3]。因此在骨组织修复领域有非常巨大的应用前景。

随着生物活性玻璃研究的不断深入，生物玻璃的应用被进一步开发。除了硬组织的修复外，研究人员还发现生物玻璃在软组织修复领域也能发挥重要的作用，特别是新血管生成[4-5]、皮肤组织修复[6-7]及止血凝血领域[8]。先前的研究已经验证了生物玻璃能够调节人体内皮生长因子的表达，促进胶原蛋白分泌的作用。通过在制备过程中加入各类金属盐，生物玻璃材料的这些生物学性能将得到扩展及强化。为了满足各类应用领域的需求，使用掺杂不同金属离子的生物玻璃将会成为未来生物玻璃研究的热点。

1 生物玻璃的制备方法

第一代的生物玻璃由Larry Hench于1971年发表，他采用熔融衍生法制备了两种生物玻璃: 45S5[46.1SiO2-26.9CaO-24.4Na2O-2.6P2O5(mol%)]和S53P4 [53SiO2-20CaO-23Na2O-4P2O5(mol%)]。其中S53P4已经被考虑用于骨组织和牙齿的增强剂和修复剂[1-2]。第二代生物玻璃，采取了溶胶-凝胶法制备。通过这种方法得到的生物玻璃，SiO2的含量即使增大到80wt.%依旧拥有良好的生物活性[9]。使用模板剂制备的新一代生物活性玻璃(第三代生物玻璃)，于2004年Yan等人采用了自组装法(EISA)开发[3]。与传统的生物玻璃(传统生物玻璃一般指溶胶凝胶法制备的第二代BG)相比较，新一代的生物玻璃拥有着高度而且有序的介孔结构和更大的比表面积，这对于药物输送来说具有相当重要的意义[3-11]。由于其所具备的这些特性，生物玻璃引起了人们广泛的关注。常江课题组在2006年采用了两步酸催化法制备出了有序的介孔生物活性玻璃，相比于Yan的方法，常江的两步酸催化法(TSACSA)有更高的可控性和更细小的粉体[12]。在此之后，常江还得到不采用水热法也能制备介孔生物玻璃的新方法[13]。而且该方法将有可能实现高效且能批量生产有序介孔生物玻璃。

2 生物玻璃的生物性能

所谓的生物活性，是指能够诱导特定物质使其具有生物活性(欧洲生物材料协会共识；1987)[14]。而研发出生物玻璃的Hench博士则将其定义为能在表面处引发特定生物反应且与宿主相结合，可以导致物质形成化学键的一类生物材料[15]。而我们所使用的介孔玻璃在与生物液体接触时会在其表面先形成羟基碳酸磷灰石(HCA)，然后进一步矿化为羟基磷灰石与周围的软组织或硬组织相结合[2-3]。将介孔玻璃浸泡于生物模拟体液(SBF)中进行体外实验，其表层形成羟基碳酸磷灰石的时间，数量，是判断该种介孔玻璃是否具有生物活性的重要指标之一[16-18]。

生物活性玻璃具有骨传导，促进血管生产的能力，较高的生物活性并且能够与生物组织有机结合的特点，正因如此，很长一段时间人们对其进行了深入的研究[19]。如：在作为药物释放载体方面[11]。高度有序的介孔生物活性玻璃(MBGs)按照前文所述是SiO2-CaO-P2O5的结构体系。根据之前的研究显示，钙离子(Ca2+)作为一种凝血辅助因子IV，可以促进Ⅰ(纤维蛋白原)、Ⅱ(凝血酶原)和Ⅲ(组织凝血激酶)型凝血因子的表达[20]。最早开始研究的是Dai等人，他们发现在高度有序的介孔玻璃种掺杂Ag+离子可以使生物玻璃具备止血和抗菌的能力[21]。事实上，钙离子(Ca2+)在促进成骨细胞增殖和分化方面具有很大的潜力，提供了诱导成骨矿化的ECM(细胞外基质)模板[22]。人们发现将生物玻璃粉末添加到伤口部位，显著提高了伤口愈合的效率[23]。这正是由于生物玻璃溶解，释放出了钙离子，加速了血液的凝固，同时促进了表皮细胞的迁移和增殖[6]，从而也促进了伤口的愈合。其释放的硅离子(Si4+)，在长时间的研究中证实了这对于刺激胶原蛋白和血管的生成有着非常的作用。经过体外的研究发现，将介孔生物玻璃作用于人体成纤维细胞表面，转化生长因子β(TGF-β)呈现下调趋势[7]，而TGF-β信号的传导涉及到伤口愈合阶段。另外，磷离子(P5+)液刺激了骨骼肌Gla蛋白(MGP)的表达[24]。硼酸盐基生物玻璃中，研究表明硼离子(B3+)具有刺激血管组织生成和促进成纤维细胞中RNA合成的能力[4-5]。总而言之，生物活性玻璃既不影响生物体的正常活动和活性又能与生物体良性结合，在药物载体，凝血，矿化组织的植入物方面具有很深远的意义。

3 掺杂离子对生物玻璃性能的影响

许多无机离子在生物体的代谢中都发挥着无可替代的作用。甚至非人体必需的元素已经可以作为药物提供治疗，如镓离子(Ga3+)已经获得了美国食品和药物管理局(FDA)的批准[21]。而掺杂性离子(如：Ga3+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Mg2+)的加入，使得生物玻璃的溶解行为，结晶，形态等物理性能发生改变。除此之外，离子的释放量和是否能以可控的方式释放也是我们关心的问题。显而易见，理解掺杂性离子对生物玻璃的性能的影响对于研发更有应用前景的生物玻璃变得关键。

3.1 镓离子的生物作用及其对生物玻璃性能的影响

镓元素，是一种人体非必需的元素，而镓离子(Ga3+)是一种生物学功能的治疗离子。例如长期的研究中发现Ga3+离子在治疗肿瘤方面表现出优异的疗效，并且已经制备出了一些含镓的药物[25]。对大

多数细菌例如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等有抗菌活性[25-26]。Maria Vallet-Regi’s 最早开始对含镓的介孔生物玻璃的研究。硝酸镓对于暴露性的开放伤口有很好的止血效果，尤其是当硝酸镓作用于早期的伤口[21]。而Valappil等人对掺杂镓离子的最适含量进行研究。通过掺杂不同含量的镓离子(1-3 mol%)发现，氧化镓的掺入将会降低硅酸盐网络聚合程度，形成更多非桥氧结构，同时降低了有序介孔玻璃的空隙有序性。此外，1%Ga-MBG的结构性能(比表面积509 m2/g和孔体积0.78 cm3/g)是最佳的，较低的细胞毒性。1mol%Ga显著降低了约60%活化部分凝血酶时间(APTT)，这对于早期的止血具有很大的意义[21]。 除此外，他们还研究了1%Ga-MBG、沸石止血剂及壳聚糖止血材料的止血及生物性能。他们指出1%Ga-MBG较高的比表面积和较大的孔体积、高表面负电荷及大量硅烷醇基团，在凝血过程中促进血小板活化和凝血酶的生成，具有较高的血栓生成量。这或许是比沸石分子筛和壳聚糖有更强的凝血效果的原因[8]。但迄今为止，还没有机构对掺杂镓离子的介孔生物活性玻璃的止血机理有明确的的表述，但可以肯定的是，含镓的介孔生物玻璃将对临床应用有重大的意义。

3.2 铜离子的生物作用及其对生物玻璃性能的影响

铜元素作为人体必需的微量元素，参与了人体的很多代谢过程[27]。在很早之前，人们就已经意识到铜具有一定的抗菌性能。铜能够与一些有机类化合物(如：硫醇，胺等)形成化学键，然后结合到细胞膜表面，最终导致细胞死亡[28-29]。铜离子(Cu2+)还被证明具有促进人内皮细胞增殖的能力，这对伤口愈合来说是至关重要的[28-30]。Borkow等人将氧化铜(CuO)的颗粒物掺杂在伤口敷料中，并对其进行了生物体体外的安全性检验，发现Cu的抗菌特性和刺激血管生成的功能[31]。将铜复合到生物活性玻璃上是Li等人于2008年首先报道。他们的研究实验证明了Cu2+具有较高的促进血管生成的生物学功能[32]。我们还可以发现在掺杂Cu的生物活性玻璃体系中，当其在伤口发挥作用时，Cu的释放优先于Si[30]。显然，这很好的避免了Cu2+的不受人为控制的大量聚集性的释放，大大降低了因Cu2+大量释放，而引起的Cu2+浓度过高而导致的其他并发症的风险。在很长的一段研究时间中，人们发现铜离子(Cu2+)可以以较高的活性促进血管生长因子(包括：成纤维细胞生长因子(FGF)和血管内皮生长因子(VEGF)等)的表达[33-34]。但是在有关的实验中发现，在糖尿病人的伤口中会有Cu2+聚集带来的危险。因此Rath等人一直在探讨介孔生物活性玻璃掺入中Cu的最佳剂量[35]。

3.3 镁离子的生物作用及其对生物玻璃性能的影响

镁元素在人体中的丰富程度虽然只是第十，但是其阳离子(Mg2+)的丰富程度却位居第四[36]。镁主要存在于人体的牙齿和骨质中，这两部分包含了人体约65%的镁。镁在人体内发挥着显著的生理作用[36]。其可以与骨细胞相互作用，促进新骨的形成。当其含量不足时，会导致骨生长减少，吸收增加，最终引起患骨质疏松[28-37]。当镁离子(Mg2+)添加到介孔生物玻璃网络中时，Mg-O键取代了Ca-O键，改变玻璃网络的形成，最终会使玻璃网络弱化。根据常江等人的研究表明，当镁掺杂到生物玻璃体系中后，使得生物玻璃的强度得到提高，很大程度上弱化了原始的玻璃网络[39]。Balamurugan和Dietrich等人致力于对CaO-SiO2-P2O5-MgO网络的研究。通过他们的研究发现，当Mg添加到玻璃网中后，根据在生物模拟体液(SBF)中浸泡的数据可以明确地知道介孔玻璃的生物活性显著提高[38]。其机理是由于Mg的加入，玻璃网络的结构发生了改变，导致在玻璃网络表面的羟基磷灰石(HAP)的结晶降低[28-38]。目前对镁离子是否能够促进细胞增殖和分化，由于缺乏明显的对照比较，还尚不明确。但镁离子的存在极大的改善了生物玻璃的强度和生物活性。

3.4 锌离子的生物作用及其对生物玻璃性能的影响

锌是人体一种必需的微量元素。在生物体内的含量约2克，但其中约九成位于骨骼和肌肉[40]。我们已经认识到锌在骨代谢中发挥着至关重要的作用，可以刺激骨细胞中的相关蛋白质和增强有关酶的活性，进而诱导骨形成；除此外，还抑制了破骨细胞的形成，降低骨吸收[28]。此外锌还有较好的抗菌和抗炎的性能。含2%柠檬酸锌的洁牙剂已经被用于相关的治疗[28-41]。Bejarano等人研究了Zn-MBG体系的物理性质。发现添加锌后生物玻璃的表面积和孔体积有了显著的增加。正如上文所提到镁离子的一样，锌的加入，也极大的使玻璃网络弱化[39]。而Anand等人证明了锌是网络调节剂。他们指出对于CaO-P2O5-SiO2-B2O3-ZnO体系，当锌的含量较高时，生物玻璃结构机械强度会大大提高[42]。在Aina等人对锌离子含量的研究中，我们发现当锌的含量超过10mol%时，锌将会对个体产生负面影响[43]。而Balamurugan 则指出5mol%的锌含量是一个相对理想的值[44]。而Du等人也指出，此时的锌含量下，浸泡在生物模拟体液(SBF)中的无钠生物玻璃中，锌会使影响早期阶段羟基碳酸磷灰石(HCA)的核形成，但不会影响HCA的形成[45]。显然这对刺激体外骨的形成是没有影响的。而Hoppe的团队不仅仅报道了当生物玻璃溶解后，三磷酸腺苷(ATP)活性的提高导致生物组织周围的细胞活性提高，而且他们的实验同样也证明了碱性磷酸酶(ALP)的活性也出现了明显的上升，而这对成骨细胞的增殖是具有很大的意义的[46]。而Dominic的实验证明了锌离子在促进新血管的生成方面也具有很强的能力[47]。总而言之，锌离子确实使得生物玻璃的性能得到质的改善。

3.5 银离子的生物作用及其对生物玻璃性能的影响

银作为一种贵金属元素被人们熟知。而其抗炎，抗菌的作用更是早已被人本应用与生活中。关于银的抗菌作用，目前还没有一个很好的定论，长期以来人们一直在争论和探讨。一种解释是由于银对微生物的吸附，其体内的酶就会失去功效，尤其是参与呼吸作用过程的酶，导致微生物迅速死亡[48-50]。拥有抗菌，抗炎能力的掺银生物玻璃或许能够解决在伤口感染时抗生素过度使用的问题。在此之前，就有不少的学者对其做过探索。Hu等人采用纳米多孔膜的生物活性玻璃(n-BGs)，且把银离子(Ag+)掺杂在其内，得到的结果证实银离子掺杂的生物玻璃有较好的止血疗效和抗菌作用[21]。与Hu等人的实验类似，Pratten等人也报道了Ag-MBG体系具有的良好的抗菌能力[49]。除此之外，Chaloupka也加入到对掺杂银的生物玻璃的研究之中，他们进行的实验也得到了银离子高效的抗炎能力[50]。Nadwrorny等人报道使用了掺杂银的生物玻璃进行研究。他们指出银离子同样具有下调转化生长因子β(TGF-β)的作用，这明确了掺杂银的生物玻璃具有一定成骨能力[51]。将银离子掺杂到生物玻璃体系中，将会使得生物玻璃更具发展前景。

4 结语与展望

生物玻璃因具有优异的生物学性能，人们对其开展了深入的研究，通过掺杂相关的治疗性离子可以提高生物玻璃的生物性能、并拓宽了其应用领域。但是更加广泛和精准的研究掺杂离子对生物玻璃的作用与影响是必要的。因此，需要开展更加广泛的研究掺杂离子对生物玻璃结构和功能的影响及其促进和诱导生物反应的机理。可以预见生物玻璃在医用生物材料领域将具有广阔的应用前景。