生物活性玻璃骨修复支架降解性能影响因素的研究进展*

王 珍 孙 蕊 王宏远

各种口腔颌面部的囊肿、肿瘤、外伤、感染以及一些先天性的原因会导致不同程度的牙槽骨、颌骨的缺损，医者常通过将骨移植材料植入缺损区使骨组织得以再生修复[1]。近年来，骨组织工程不断发展，生物活性玻璃（bioactive glass,BG）骨修复支架也成为了医学界研究的热门话题。

1.生物活性玻璃的概述

生物玻璃（bioglass,BG）是Hench[2]在1969年首次发现并命名，现又称生物活性玻璃。生物活性玻璃作为一类骨替代的生物活性材料，兼具极高的骨诱导（osteo-induction）及骨引导（osteo-conduction）潜力，有很强的生物可降解性、成骨及成血管活性、生物相容性。若将BG 置于骨缺损区后，其会释放出钙、钠、磷酸根等离子，受pH 的影响，其与骨组织的交界处有富硅凝胶层生成，蛋白与胶原被吸附在上面，钙、磷酸根等离子向SiO2凝胶层迁移，形成羟基磷灰石层（Hydroxyapatite,HA)，HA 与机体骨组织的无机组分相近，表现出修复骨缺损的能力[3]。此外，BG 释放的Si 离子、Ca 离子、PO4离子还可调控成骨相关基因（Osteogenic related genes,ORG）的表达，有利于成骨细胞的生长、分裂、转移，同时，也改善了ALP 的酶活性,进而加速了Ⅰ型胶原纤维的形成，使新骨形成过程加快[4]。生物活性玻璃因其优越的性能，在临床上应用广泛。王珊珊等[5]将BG 置于颌骨囊肿切除后的骨腔中，6个月后评估其疗效发现术区与正常骨组织无异。BG 不仅在颌骨缺损的修复方面成效显著，在牙周组织缺损方面也取得了很大进展。王鸣照等[6]通过将Bio-Oss 与PerioGlas 放置在上颌前牙区种植体周围的骨组织缺损区，发现二者均有较强的成骨能力，但Bio-Oss 比PerioGlas降解速度慢，更有利于唇侧牙槽骨宽度的维持，增强美学效果。王丽艳等[7]将牙周骨缺损区植入纳米BG 材料，3个月后X 线片发现骨缺损区与正常骨组织之间界限不清，骨密度相近，这为临床修复牙周骨的角型吸收奠定了理论基础。

以上研究充分证实BG 作为骨替代材料在修复颌骨与牙周骨缺损方面具有显著疗效。虽然BG 在临床上取得了很大的进展，但改善BG 的降解性能，达到降解与新骨再生之间的平衡，一直是困扰医学界的问题，为了解决这个问题，很多专家学者对BG进行了诸多研究，接下来我将从以下几个方面阐述其对BG降解的影响。

2.生物活性玻璃降解性能的影响因素

影响BG 的降解性能的因素众多，其中最主要的是物理性能（形状、密度、比表面积、孔径）、化学性能（钙磷比、溶解性、酸碱性）、晶体结构。故而我们可通过调整材料尺寸、改变制作工艺以及掺各种成分的改性剂来改变其物理化学性质，从而达到控制其降解性能的目的。

2.1 材料尺寸的改变对降解性能的影响 生物玻璃材料的形状是多种多样的，有颗粒、泥灰、泡沫、块状等等，形状与尺寸不同的BG 的降解性能及生物活性差异很大并在某种程度上可以定量预测[8]。高鹏等[9]研究发现：尺寸不一的BG不规则颗粒修复股骨髁缺损时，500～720 微米颗粒的间隙的空间结构对玻璃网络的降解以及细胞的增殖、迁移较90～500微米的颗粒更具优势。然而，同期高鹏等[3]又进行了相关实验，将3种尺寸不一的BG规则球体对兔股骨缺损的修复能力进行了比较，发现直径90～300微米的BG 球体降解及成骨性能好，可以用来修复腔隙性骨缺损。两组研究结果的差异是否由于BG形状的改变造成，由于缺乏对照比较，这还有待进一步验证。Ajita 等[10]将直径为37.6～74.7μm 的BG纳米微粒与骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cells，MSCs）作用时，也发现粒径最小的BG 微球有更大的体液中离子溶出率及比表面积，降解速率也更大，增殖的MSCs 也更多。以上研究均可证实材料的尺寸与BG 的降解性能息息相关，我们可以通过改变材料的尺寸来实现对其降解速率的调控。

2.2 制作工艺的改变对降解的影响

2.2.1 熔融法 熔融法制作的生物活性玻璃是将各种原料研磨均匀混合后经高温烧结（1300-1500℃）、水淬、烘干得到BG 的方法[11]。熔融法制备的BG组分不均，比表面积小，结构致密，离子溶出低，不利于BG的降解[12]。在熔融法制备的硅酸盐BG 中，SiO2的占比应少于60%，若SiO2大于60%，制备的BG 硅氧网络连接程度紧密，离子溶出率低，将失去生物活性[8,13]。而且熔融法制备的硅酸盐BG 容易析晶，生物活性低，且降解速率与新骨再生速率不能保持平衡。为了解决这个问题，Cortezde等[14]将不含碱金属离子的Mg-Ca-P-Si-F 系统的生物玻璃FastOs®置于羊股骨缺损处1个月后，扫描电镜（SEM）下发现其新生的骨组织与临近骨缺损区的骨组织连接良好，而45S5BG 却降解速度过快，与宿主骨之间产生缝隙。

2.2.2 溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法将前驱体硝酸钙（钙源）、磷酸三乙酯（磷源）、正硅酸乙酯（硅源），经催化作用发生水解、聚合形成溶胶，溶胶经静置、陈化得到凝胶，凝胶经干燥、烧结、固化后得到BG的方法[15,16]。为了解决熔融法制备的玻璃组分不均、结构致密、离子溶出率低的问题，1991年，Li 等[17]第一次通过用溶胶-凝胶法制作出直径为2～50纳米的生物活性玻璃，其比表面积大，孔隙多，孔隙率高，离子溶出迅速，降解速率较熔融法制作的BG 大大提升[16]。溶胶凝胶法制作的BG 中SiO2的含量可大于90%，高于熔融法制备的硅酸盐BG中的SiO2的含量，同时其大的比表面积使外露的Si-OH 增多，这使所制的BG 有更良好的降解吸收性能且更容易形成HA 层，有很强的骨键合能力，生物活性也极大增强[18-21]。溶胶-凝胶法制备的介孔生物活性玻璃（mesopoeous bioactive glass,MBG）由于其介孔排列整齐、高度有序、药物容易吸附，抗菌载药性能好，在骨髓炎、骨肉瘤的治疗方面取得很大进展[22]。MBG 一般是通过负载抗生素、成骨相关生长因子、蛋白质等发挥成骨作用。负载BMP-2的MBG 可促使成骨相关基因的表达，利于MSCs 分化，加快成骨细胞生成，抑制破骨细胞分化[23]。而且MBG 降解产生的钙离子、硅离子在体内蓄积不仅不会产生毒性反应，而且还会促进rBMSCs 分化成熟，促进新骨再生，这在隋佰延[24]对MBG 在体内的转归及成骨效应的研究中得到了证实。因为用溶胶凝胶法制作的BG 的降解性能优良，成骨作用显著，所以溶胶凝胶法适用范围较广。

2.2.3 模板法 模板法在反应体系中加入表面活性剂，并以此为模板，再通过无机物前驱体的聚合形成BG网络，经陈化、洗涤、干燥、烧结得到纳米BG的方法[15,16]。模板法是在溶胶-凝胶法的基础上衍生出来的，其制备的纳米MBG排列整齐,尺寸分布均一，比表面积大和孔隙丰富，弥补了溶胶-凝胶法所制备的纳米级BG 颗粒呈团聚状态的不足。赵大洲[25]等人运用此法制备的介孔生物活性玻璃具有有序的介孔通道，巨大的孔隙体积，这使BG 成为某些生物因子、功能离子、抗生素的良好载体，对抗菌消炎、抗肿瘤、调节免疫系统的意义非凡[26]。

制作工艺对降解性能的影响主要是通过改变其比表面积、孔径大小、溶解性、结晶性等来实现的。为了弥补上述方法的不足，在此基础上又衍生出很多BG复合支架的制作工艺，例如，静电纺丝法、冷冻干燥法、双模板技术、3D 打印技术等[27]。它们各具优点，使BG被广泛应用于临床。面对诸多的制作工艺，我们需根据原料的性质、制备方法的特点、成本的高低、临床的需求综合考虑，择优选择。

2.3 掺加改性剂对降解的影响

2.3.1 B3+对BG 降解性能的影响 硼是硼酸盐玻璃网络的主要构成元素，它可以取代硼酸盐BG中的Si 元素，加快其降解速度。研究发现随着13-93、13-93B1、13-93B3 中B 含量的逐渐增加，降解速率越来越快，但抗压强度却在变小，这一现象可以由B2O3使生物玻璃中的硅原子的空间排列方式变得不稳定来解释[8]。Yao等在研究中也提到BG 的溶解速度与其组成有关，B、Si 含量偏高时溶解快，当B/Si 的摩尔比为3时降解速率适中，临床上可通过加入不等量的硼实现对BG 降解吸收速度的调控[28,29]。此外，张亚东[30]通过将硼酸盐骨水泥与硫酸钙骨水泥同时植入兔股骨缺损中，发现硫酸钙骨水泥降解过快，再生骨还没完全占据骨缺损的空间，其已经降解，而硼酸盐骨水泥其降解适中，骨缺损区与正常骨组织边界不清，这充分说明了硼元素可改变BG 的降解速度，这也使硼酸盐骨水泥替代了传统骨水泥被用于修复组织缺损。硼酸盐BG不仅在骨修复方面优势显著，而且还在软组织形成方面意义突出。苏志飞等[31]在研究用硼酸盐生物玻璃去修复双膦酸盐相关性颌骨坏死（bisphosphonates associated with jaw necrosis,BRONJ）所致的骨缺损的过程中也发现：硼酸盐BG 可以消除双膦酸盐对骨髓间充质干细胞以及人脐周内皮细胞（Periumbilical endothelial cells,PEC）增殖和功能的抑制，上调VEGF 的表达，促进BPs 骨缺损区的骨组织及软组织的愈合。含硼的BG 在上述研究中表现出较强的血管形成与骨形成作用，这对以后组织再生意义重大。

2.3.2 Zn2+对BG 降解过程的影响 锌是人体必需的痕量元素之一，而ZnO 能促进骨生成，抑制骨吸收，利于骨组织再生，还有杀菌消毒的作用[32]，在骨代谢中发挥作用。在生物活性玻璃网络中，若用ZnO替代CaO,可使BG降解变慢。Zn2+加入生物玻璃中是以[ZnO4]2-的形式存在，Zn作为中间氧化物稳定了硅氧网络的结构，促进玻璃网络聚合，使离子溶出速度变慢，使BG 降解性能下降[33,34]。这与郭炜煌[15]将四角状氧化锌添加到BG与明胶的复合体中得出ZnO 能降低复合体的体外降解性能的结论一致，但Zn2+的溶出依然有利于成骨细胞的增殖，这与Zn2+自身的成骨作用有关。研究均证实Zn2+的存在确实在影响BG 的降解性能的同时也参与了骨组织的代谢。

2.3.3 Sr2+对BG降解性能的影响 锶是牙齿和骨骼的重要组分，锶有助于成骨细胞的分化和骨生成，阻止破骨细胞分解[35]，改善骨代谢，与Ca 起协同效应，预防骨质疏松。当用痕量元素Sr2+替换Ca2＋，硅酸盐BG 降解速度加快，并且与Sr 的含量成正相关[36]。但有时也因SrO 含量的不同，对降解的影响也不同。有研究发现：在硼硅酸盐BG 中SrO 的含量≥8%（wt%）时，BG 的降解加快，反之，降解则变慢，在SrO 的含量<6%（wt%），玻璃网络最稳定[37]。这很好的解释了林博偲等[38]将掺杂了锶与不掺锶的复合PVA/BG 水凝胶进行对比,发现前者HA 的形成情况以及材料的降解速率反而低的现象。锶较强的成骨能力体现在它可缩短成骨过程，与锂协同，效果更明显[39]，此外，其还可促进血管再生。Zhao 等[40]将掺锶的BG 微球支架植入大鼠骨缺损的部位，随着BG 降解释放出Sr2+，发现其可以增强血管内皮细胞（Vascular endothelial cells,VEC）的作用，促进血管再生。虽然掺入的锶本身具有溶解性，但是其掺入量太少，不足以因为其自身的溶解导致离子浓度变化，而是通过改变BG 的网络结构的稳定性而调控离子的释放[41]。掺入不同量的锶对BG 降解性能的影响确有差异，展示了其很好的发展前景。

2.3.4 Cl 元素对BG 降解性能的影响 氯元素可以调控体内酸碱及电解质的平衡，若体外氯含量过低会影响离子转运进而抑制成骨细胞增殖迁移阻碍其成骨作用[42]。氯元素可以使BG快速降解形成HA 层，具有很强的成骨活性，这与李步云等[43]在氯含量对BG 成骨活性的研究中的结论相一致，但目前Cl 元素是如何影响BG 的网络结构使其降解性能发生改变，还尚不明确，有待进一步研究。

上述元素对BG降解性能影响的差异，其本质是因为它们不同程度改变了生物玻璃的网络结构，影响了Ca/P比。除掺入上述离子可以改变生物活性玻璃的降解速率外，还可通过添加其他元素改善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降解变快的同时一般会导致其力学性能的下降，我们则可通过添加Ti元素与Zr元素改善其弯曲强度、断裂韧性[44,45]，进而提高其力学性能。引入不同元素改变生物活性玻璃的功能，满足多变的临床是我们亟需面对的问题。

3.结语与展望

生物活性玻璃具有良好的成骨、成血管、组织修复作用，它优异的生物学性能使其更具发展前景。虽然其在很多方面取得了成就，然而在如何增强BG 的机械性能，使其被用于机体大块骨组织缺损区的修复；如何在降解速率与新骨形成速率匹配的同时缩短生物玻璃材料用于修复的时间，提高效率，降低成本；如何更好地解决诸多性能之间的矛盾；如何添加其他功能材料开发出其他治疗功能等方面仍还需要继续研究。因此，对BG 的生物学特性的研究仍是我们要继续探索的重点。