梁 杰

[關(guān)鍵詞]生物活性玻璃;應(yīng)用;前景

隨著社會的進(jìn)步、技術(shù)的發(fā)展和人口老齡化的加劇,全球?qū)ι镝t(yī)學(xué)材料及其制品的需求逐年增加,器官的人工化成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)科學(xué)的尖端技術(shù)之一,其潛在的核心是醫(yī)用生物材料的研發(fā)。1969年美國Florida的Hench教授等發(fā)現(xiàn)一定組成的生物活性玻璃植入體內(nèi)后其表面不形成纖維包裹層,而是與骨組織形成緊密的結(jié)合,其結(jié)合面的強(qiáng)度甚至高于骨和材料本身,在此基礎(chǔ)上研制出了45S5生物玻璃并提出了生物活性的概念。

生物活性醫(yī)用玻璃一般為CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng),部分含有MgO、丸O、Na2O、A12O3、B2O3、TIO:等。玻璃網(wǎng)絡(luò)中非橋氧所聯(lián)結(jié)的堿金屬和堿土金屬離子在水相介質(zhì)存在時,易溶解釋放出一價或二價金屬離子,使生物活性玻璃表面具有良好的溶解性,這就是生物活性玻璃具有生物活性的基本原因。非橋氧鍵所占比例越大,玻璃的生物活性也就越高。

一、生物活性玻璃的應(yīng)用

(一)對生物活性材料在體內(nèi)與骨組織結(jié)合面的研究發(fā)現(xiàn),材料在體內(nèi)環(huán)境中表面會形成一層類骨羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)層,骨組織通過HA層與材料進(jìn)行結(jié)合。在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,斷裂不是發(fā)生在骨的一側(cè)就是發(fā)生在材料一側(cè),界面結(jié)合處卻完好無損,表明HA層與骨結(jié)合密切,材料在體液環(huán)境中沉積HA層的能力成為評判材料活性的一個重要依據(jù)。以Ca-Si為基礎(chǔ)的生物玻璃,在體液環(huán)境中,其表面形成一層富硅層,誘導(dǎo)HA的沉積,從而顯示出生物活性。與磷酸鈣生物材料相比,生物活性玻璃的組分范圍要廣,各種對人體無害和能促進(jìn)骨組織生長的離子都可以添加到生物活性玻璃中以改善其性能。由于生物活性玻璃優(yōu)良的生物活性和可調(diào)節(jié)的化學(xué)組成,其性能如活性、降解性和力學(xué)性能都可以人為調(diào)節(jié)和控制,使生物活性玻璃成為骨組織修復(fù)材料的一個研究熱點(diǎn)。

(二)生物活性玻璃可做成局部的物藥制劑施用于創(chuàng)傷,例如以懸浮液,洗劑,霜劑,藥膏或凝膠的形式。除生物活性玻璃之外,制劑中還能包含其他治療物質(zhì),例如抗生素,抗病毒素,愈合促進(jìn)物質(zhì),抗炎物質(zhì)等。在一個實(shí)施方案中,治療物質(zhì)是一種如若不然在其釋放位點(diǎn)上會引起炎癥的物質(zhì),而生物活性玻璃微粒減輕相關(guān)的炎癥。許多其他化合物當(dāng)經(jīng)由肺給藥,即經(jīng)由一個吸入器施用時,會導(dǎo)致發(fā)炎。不用任何載體或賦形劑而將生物活性玻璃直接放在一個創(chuàng)傷面中或一個灼傷上是可行的。優(yōu)選在用于局部施用的任何醫(yī)藥可接受的載體中單獨(dú)混合生物活性玻璃或與一種或多種其他治療物質(zhì)組合的生物活性玻璃,例如懸浮液、油膏霜劑或凝膠,從而有利于施用到創(chuàng)傷。

二、現(xiàn)階段存在的問題及解決措施

生物活性玻璃具有金屬材料及有機(jī)材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn),如生物相容性好,無毒副作用,可與骨骼形成骨性鍵合,并且耐化學(xué)腐蝕等,但是它同樣存在著致命的不足,與人體骨相比生物活性玻璃脆性大,尤其是抗彎強(qiáng)度不足,嚴(yán)重限制了該類材料的使用范圍。目前生物活性玻璃還主要用于骨損傷修復(fù)及骨料填充等非承載部位,如何彌補(bǔ)其不足,更好地開發(fā)利用該類材料便成為各國材料工作者研究的重點(diǎn)。

(一)調(diào)節(jié)玻璃組分。生物活性玻璃化學(xué)組分多,組成復(fù)雜,因而通過適當(dāng)調(diào)整玻璃組成,可獲得特定的結(jié)構(gòu),從而顯著改善玻璃的性質(zhì),但在調(diào)整生物活性玻璃組分時要注意以保證其生物活性為前提。

(二) 改進(jìn)制備工藝。傳統(tǒng)制備生物活性玻璃的方法為高溫熔融法,在玻璃制備過程中通過調(diào)節(jié)氣氛、熔制溫度、退火溫度、保溫時間等可使玻璃產(chǎn)生特定的結(jié)構(gòu),并使其在熱處理過程中晶化。在晶化過程中通過控制晶體種類、晶體顆粒大小以及含量等因素來改善玻璃的一系列性質(zhì),如適當(dāng)調(diào)整制備工藝、細(xì)化晶粒來提高生物活性玻璃的斷裂韌性。近期發(fā)展起來的Sol-gel法與傳統(tǒng)的高溫熔融法相比具有以下優(yōu)勢:在Sol-gel法制備過程中,原料組分可在分子水平上均勻混合,所得制品具有均勻性高、純度高等優(yōu)點(diǎn),且制備過程中熱處理溫度低。近年來人們還發(fā)現(xiàn)利用Sol-gel法可擴(kuò)大生 物活性玻璃的組分范圍,制備出的材料比表面積大,殘余輕基多,能與生物機(jī)體內(nèi)的蛋白質(zhì)氨基酸以低能途徑形成膚鍵,更快更多地實(shí)現(xiàn)骨鍵合,因此Sol-gel法是制備生物活性玻璃一條新途徑。

(三)制備復(fù)合材料。通過不同材料的復(fù)合,利用不同材料性能的互補(bǔ)可以達(dá)到增強(qiáng)材料的目的。材料復(fù)合的方法有很多種,可以按與生物玻璃復(fù)合的材料性質(zhì)分類,也可按復(fù)合的方法分類。研究者在生物材料的組成、制備工藝等方面作出了很多工作并取得了一系列進(jìn)展,但都沒有從根本上解決材料抗彎強(qiáng)度不高的問題。近年來通過不同種材料復(fù)合來達(dá)到增韌補(bǔ)強(qiáng)的目的已成為國內(nèi)外研究的趨勢。

三、生物活性玻璃未來的發(fā)展方向

Hench等在1998年對生物玻璃未來發(fā)展的展望中談到:在下一個千年(也就是21世紀(jì)),生物材料的重點(diǎn)應(yīng)該是制備具有和種植部位自體組織功能一致的材料。對目前幾種比較常見的骨修復(fù)材料58S、45S5、HA、磷酸鈣陶瓷、生物惰性硼硅酸鹽玻璃、氧化鋯陶瓷等進(jìn)行比較,溶膠凝膠法制備的玻璃58S顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢,生物活性高,生物相容性好,在成骨細(xì)胞培養(yǎng)過程中,58S顯示出最快最緊密的細(xì)胞貼附,同時對細(xì)胞的增殖具有最大的促進(jìn)作用。現(xiàn)代溶膠凝膠技術(shù)可從納米到毫米尺度上對材料進(jìn)行設(shè)計,從分子水平上控制材料的結(jié)構(gòu)也成為可能。通過調(diào)整溶膠凝膠法工藝參數(shù)和生物活性玻璃的化學(xué)組成,可以控制玻璃的生物活性、降解速度、力學(xué)強(qiáng)度等性能。而現(xiàn)代先進(jìn)的生物學(xué)技術(shù)、基因工程、細(xì)胞和組織工程、影像技術(shù)、定量的原位診斷技術(shù)等可為生物材料的設(shè)計提供指導(dǎo)和依據(jù)。因此,對生物活性玻璃的下一步研究主要有兩個方面:從生物學(xué)方面,應(yīng)該從分子水平上研究細(xì)胞與生物活性玻璃及其釋放的離子之間的生物因果關(guān)系,為從分子水平上設(shè)計材料提供依據(jù);從材料方面,研究工藝條件和玻璃組成對生物活性玻璃的力學(xué)性能、生物活性、降解性和離子釋放等的影響作用,根據(jù)需要計材料,使制備的材料與植入部位組織的功能接近。

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(編輯/穆楊)