李 倩，陳瑞果，謝巖黎

(1. 河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001)(2. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 強(qiáng)磁場中心，安徽 合肥 230031)

1 前 言

1969年，Larry Hench博士等首次發(fā)明了硅酸鹽生物玻璃45S5(45%SiO2-24.5%Na2O-24.5%CaO-6%P2O5,質(zhì)量分?jǐn)?shù))用于組織修復(fù)，這一發(fā)現(xiàn)打開了生物醫(yī)用材料領(lǐng)域新的篇章[1]。與此前傳統(tǒng)的生物材料如惰性生物醫(yī)用高分子和惰性生物醫(yī)用金屬相比，生物玻璃有著多方面的優(yōu)勢，如能夠降解，釋放促進(jìn)修復(fù)的離子從而降低傷口感染，對機(jī)體的毒性低等。特別值得指出的是，生物玻璃的活性指數(shù)IB大于8，降解后生成的碳酸羥基磷灰石(HCA)能夠與組織牢固鍵合。因此，許多研究側(cè)重于調(diào)整生物玻璃的成分，加快HCA形成，如發(fā)展硼酸鹽生物玻璃，摻雜Na+和Ca2+之外的元素。此外，創(chuàng)傷組織在修復(fù)中需要一個營養(yǎng)流入和廢物流出的開放系統(tǒng)，因此，特殊結(jié)構(gòu)的生物玻璃也是組織工程中的重要發(fā)展趨勢。目前，生物玻璃已經(jīng)廣泛應(yīng)用于硬骨、軟骨、軟組織修復(fù)甚至腫瘤殺傷中，是組織工程中重要的材料，對其力學(xué)性能、降解速率、組織相容性進(jìn)行改善和調(diào)控仍是目前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

2 生物玻璃的化學(xué)組成與生物學(xué)活性

生物玻璃在生理?xiàng)l件下的反應(yīng)過程經(jīng)歷離子交換、膠狀Si(OH)4的沉積、無定形鈣磷層沉積和HCA結(jié)晶等過程。由反應(yīng)機(jī)制可知，降解速率和HCA的形成直接影響著生物玻璃生物活性的發(fā)揮，而這兩個參數(shù)和生物玻璃的組成成分和含量密切相關(guān)。如當(dāng)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于60%時，硅酸鹽生物玻璃通常不具備生物活性，在55%～60%之間的適合作骨修復(fù)材料，45%～52%之間的生物玻璃適合修復(fù)軟組織[2, 3]。從體外生物玻璃的降解速率來看，SiO2含量高的生物玻璃形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這是由于Si離子無法被Ca2+或Na+置換，HCA的形成受阻。此外，元素的離子半徑也是影響降解的一個因素，如硼酸鹽生物玻璃中B3+離子半徑小，形成的B2O3結(jié)構(gòu)疏松[4]，經(jīng)磷酸氫鉀浸泡后，HCA在4 d內(nèi)即可形成，45S5中則需要70 d左右[5]。痕量元素置換一部分SiO2也可加速生物玻璃的降解，Liu等[6]發(fā)現(xiàn)生物玻璃P6.33摻雜7%(摩爾分?jǐn)?shù))的CaF2后，在Tris中浸泡2～8 h即形成HCA，而無CaF2摻雜的樣品中HCA的形成延長至72 h。有趣的是，如果用痕量元素替換生物玻璃中的Na+或Ca2+，元素半徑則對降解速率產(chǎn)生相反的影響。用元素半徑較大的Sr2+替換Ca2+，硅酸鹽生物玻璃的降解加快，并且與Sr2+的含量呈正相關(guān)[7]。相似地，最新研究也表明，如用Li+替換45S5中的Na+， Tris浸泡液在6 h內(nèi)pH值和離子濃度保持穩(wěn)定，而用K+替換，則pH值和離子濃度都快速上升，有大量HCA沉積，推測原因是離子半徑較小的元素使SiO2的結(jié)構(gòu)更為致密，減緩降解[8]。在硼酸鹽和硅酸鹽混合玻璃中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果，當(dāng)用含量低于2%(摩爾分?jǐn)?shù))的Ag2O置換CaO后，BO4與BO3的含量比升高，結(jié)構(gòu)的無序性增加，HCA形成加快[9]。與Ag+不同，Zn2+作為中間氧化物能夠穩(wěn)定SiO4的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合，因而減緩了生物玻璃的降解[10, 11]。因此，在調(diào)整生物玻璃中元素的組成和含量時需要綜合考慮元素的半徑、酸堿性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)合傾向等，特別是多種元素?fù)诫s時，生物玻璃的降解速率和活性可能存在不確定性。

除了參與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，生物玻璃中的離子也具有抑菌、激活成骨細(xì)胞分化通路以及促進(jìn)血管生成等功能。如Ag+、Zn2+、Sr2+、Cu2+等摻雜的生物玻璃有效殺滅了大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等細(xì)菌[12-17]。在抑菌率上，對放線共生放線桿菌和牙齦卟啉單胞菌的抑菌率與 F-摻雜的比例呈正相關(guān)。并且CaF2摻雜摩爾分?jǐn)?shù)低于5%的生物玻璃均無細(xì)胞毒性，隨著CaF2摻雜量的提高，3周內(nèi)MC3T3-1細(xì)胞中血管生長因子VEGF上調(diào)，其中只有摻雜量為1%的P6.33使MC3T3-1細(xì)胞中成骨相關(guān)基因Colla1和OPN表達(dá)明顯上調(diào)，膠原蛋白合成增加[6]。然而，目前氟摻雜的生物玻璃體內(nèi)實(shí)驗(yàn)尚不明確，氟可能引起的骨骼和牙齒釉斑問題還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。Zn2+也有促進(jìn)細(xì)胞礦化的作用，摻雜量(摩爾分?jǐn)?shù))低于5%時促進(jìn)人骨肉瘤細(xì)胞SAOS-2的生長和分化，并且當(dāng)ZnO的摻雜量為0.3%時細(xì)胞外基質(zhì)合成量最高[18]，摻雜量在3%以內(nèi)的生物玻璃也促進(jìn)了人牙髓干細(xì)胞的分化[11]。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示，Cu2+摻雜的13-93B3對細(xì)胞的生長繁殖、相關(guān)生長因子基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)以及皮膚傷口修復(fù)都有促進(jìn)作用，并且與Cu2+的含量呈正相關(guān)[19]。為了避免局部高pH值對細(xì)胞的毒性，以上體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)都是用生物玻璃粉末浸出液的稀釋液與細(xì)胞共同培養(yǎng)，而體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，隨著體液循環(huán)局部堿性得到中和。綜上，元素?fù)诫s含量高于5%的，往往不可避免地引起細(xì)胞毒性，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)證明，1%以下的摻雜量能最大程度地促進(jìn)成骨分化。因此，為了實(shí)現(xiàn)生物玻璃對特定組織的最佳修復(fù)效果，除了要考慮摻雜元素的種類和含量，離子釋放的動力學(xué)更需要精確調(diào)控。

圖1 機(jī)體對生物玻璃的生物學(xué)響應(yīng)機(jī)制[20]Fig.1 Biological responses to bioactive glass[20]

3 結(jié)構(gòu)對生物相容性的影響

除了化學(xué)組成，生物玻璃的結(jié)構(gòu)也對其修復(fù)能力有著重要的影響(圖1[20])。目前基于熔融法、溶膠-凝膠等方法制備的生物玻璃有初級的微米、納米級顆粒、纖維，還有介孔生物玻璃和3D打印、電紡纖維生物玻璃。從微觀上來說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)比表面積、表面粗糙度、電荷/Z-電勢、拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì)、機(jī)械強(qiáng)度等影響著生物玻璃的生物相容性。如納米級顆粒因比表面積大，相較微米級顆粒吸附的膠原蛋白更多，能為細(xì)胞提供更多的黏附位點(diǎn)[21]。然而細(xì)胞黏附和HCA的形成之間并不是正相關(guān)，Gough等發(fā)現(xiàn)光滑的(Ra：0.045 μm)45S5表面人原代成骨細(xì)胞黏附面積大，但長時間降解后HCA的形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表面粗糙的(Ra：2.027 μm)45S5[22]。此外，孔徑和孔隙率對材料與組織的結(jié)合也有重要的影響。在孔徑低于100 μm的生物材料上細(xì)胞易團(tuán)聚，且黏附性和繁殖率降低，有更多新生軟骨；而孔徑高于300 μm的生物材料直接促進(jìn)新骨形成和毛細(xì)血管生成，因此，材料中孔徑大小呈梯度分布是解決復(fù)雜組織(如關(guān)節(jié)等)的一個思路[23]?？紫堵蕦?xì)胞生長的影響主要和比表面積有關(guān)，一般地，孔隙率高的生物玻璃具有更大的比表面積，細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的結(jié)合度更高，利于細(xì)胞生長。同時，不同孔隙率的生物玻璃具有不同機(jī)械強(qiáng)度，能夠匹配不同機(jī)械強(qiáng)度的組織，如松質(zhì)骨與密質(zhì)骨的壓縮強(qiáng)度分別為2～12 MPa和100～150 MPa，彈性模量分別為0.1～5 GPa和5～15 GPa[24]，因此通過控制孔隙率來獲得不同比表面積以及不同機(jī)械強(qiáng)度的生物玻璃也是制備支架材料的一個思路。

4 生物玻璃在組織修復(fù)中的應(yīng)用

4.1 硬組織修復(fù)

硬組織修復(fù)中往往用生物玻璃復(fù)合鈦、鈦合金、鎂合金等，以提高金屬支架的力學(xué)性能，降低離子溶出率和腐蝕速度[25-27]。此外，生物玻璃與金屬復(fù)合能夠顯著降低機(jī)體的炎癥反應(yīng)，如Scislowska-Czarnecka等發(fā)現(xiàn)相比羥基磷灰石(HA)或者硅酸鈣，生物玻璃涂覆的鈦募集更多的巨噬細(xì)胞，并且相關(guān)的炎癥因子MMP-9、TNF-α等的產(chǎn)生量減少[28]。生物玻璃涂覆的金屬還能誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為大量的分化是骨整合的首要條件。然而，也有不同的觀點(diǎn)。Popa等提出干細(xì)胞在長期修復(fù)中要保持一定的數(shù)量，而不能過度分化。他們將鈦材料表面涂覆生物玻璃以提高硬度，牙髓干細(xì)胞只是表現(xiàn)為數(shù)量增多，而并無分化[29]。筆者認(rèn)為，在硬組織修復(fù)中，不同類型的細(xì)胞數(shù)量需要維持適當(dāng)?shù)谋壤?，以避免過度增生引起的副作用。除了與金屬材料復(fù)合，還將生物玻璃與多聚物復(fù)合，一方面模擬天然骨組織中無機(jī)(磷灰石)/有機(jī)(膠原蛋白)環(huán)境，另一方面兩種材料都能夠降解，成為骨組織工程中一種理想的支架材料。多聚物中應(yīng)用較多的有聚DL-乳酸(PDLLA)、透明質(zhì)酸、殼聚糖、海藻酸等。一般地，隨著生物玻璃含量的提高，形成的復(fù)合材料越致密，機(jī)械性能越高。生物玻璃的含量還影響著細(xì)胞增長、細(xì)胞外基質(zhì)合成和體內(nèi)骨組織修復(fù)。如人骨肉瘤細(xì)胞MG-63、人脂肪干細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞在45S5/PDLLA復(fù)合材料上的繁殖數(shù)量與45S5的含量呈正相關(guān)，含40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 45S5的復(fù)合材料上，細(xì)胞的數(shù)量最多[30-31]。進(jìn)一步地，Lu等還發(fā)現(xiàn)在含40% 45S5的復(fù)合材料上，膠原蛋白的合成量最大，人脂肪干細(xì)胞的成骨分化率最強(qiáng)[32]。而對于天然的多聚物，與很低含量的45S5復(fù)合就能用于骨修復(fù)，如在m/V為0.2%的45S5與海藻酸溶液混合的水凝膠上，大鼠間充質(zhì)干細(xì)胞的繁殖和分化最快，并且能夠快速遷移至復(fù)合材料內(nèi)部，這與Si4+的含量和表面形成的HCA有關(guān)[33]。在誘導(dǎo)成骨中，45S5與不同多聚物復(fù)配的含量比例差異較大，因此，在實(shí)驗(yàn)中需要關(guān)注材料本身的強(qiáng)度、表面沉積的HCA和降解過程中離子的濃度。

除了形狀固定的支架材料，可注射的生物玻璃在關(guān)節(jié)軟骨再生中發(fā)展迅速。Zhu等[34]制備了復(fù)雜的可注射生物玻璃-水凝膠-細(xì)胞多層復(fù)合材料，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)顯示，骨髓干細(xì)胞和海藻酸鈉-生物玻璃層促進(jìn)軟骨下骨再生，骨髓干細(xì)胞、關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和海藻酸鈉-瓊脂糖層促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨再生，并且發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料還能整合新舊組織。

4.2 軟組織修復(fù)

4.2.1 皮膚傷口修復(fù)

由于生物玻璃能釋放促進(jìn)血管生成的離子，且能夠降解，近年來有報道將其用于皮膚傷口修復(fù)。 Zhao等將摻雜Cu2+的13-93B3納米纖維敷在大鼠傷口處，傷口修復(fù)速度與Cu2+的含量成正相關(guān)[19]。此外，許多研究將生物玻璃與多聚物混合制備傷口敷料，如將45S5納米顆粒與聚羥基辛酸混合作為傷口敷料，生物玻璃的含量越高，混合材料的粗糙度和親水性越高，止血需要的時間越短[35]。為了更好地模擬天然的軟組織，研究人員采用兩種或兩種以上的多聚物共價交聯(lián)生物玻璃，制備了復(fù)雜的復(fù)合材料。Chen等報道了一種3D支架，外殼由透明質(zhì)酸和殼聚糖組成，能夠增強(qiáng)材料的熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，內(nèi)核是納米尺寸的明膠和生物玻璃海綿纖維，并提出了促進(jìn)慢性傷口修復(fù)的材料模型[36]。

4.2.2 神經(jīng)元修復(fù)

45S5纖維與硅橡膠導(dǎo)管制備的復(fù)合物促進(jìn)Schwann細(xì)胞的附著，并且可連接大鼠坐骨神經(jīng)殘端長達(dá)0.5 cm的間隙[37]。Marquardt等[38]將條狀的13-93B3摻入纖維蛋白中，引導(dǎo)神經(jīng)元沿著生物玻璃的走向延伸。Novajra等[39]在中空的磷酸鹽玻璃纖維中填充瓊脂/明膠和熒光素葡聚糖，不但誘導(dǎo)神經(jīng)元的再生，還可控制生長因子的釋放。Mohamadi等[40]用靜電紡絲技術(shù)制備的聚己內(nèi)酯-膠原-納米生物玻璃多孔復(fù)合材料促進(jìn)了末梢神經(jīng)組織再生。然而，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合材料修復(fù)神經(jīng)元的效果無法持久。如Forturan等[41]發(fā)現(xiàn)生物玻璃和明膠共價交聯(lián)的納米導(dǎo)管能夠連接坐骨神經(jīng)中末梢神經(jīng)長達(dá)1 cm的間隙，促進(jìn)神經(jīng)元更新，但是術(shù)后3個月的觀察結(jié)果表明，復(fù)合材料組中神經(jīng)的修復(fù)效果與對照組(僅明膠)無差異。Kim等[42]也發(fā)現(xiàn)在磷酸鹽玻璃纖維表面包裹上膠原蛋白，在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的初始階段促進(jìn)了大鼠神經(jīng)元軸突的生長，修復(fù)效果在12周后消失。因此，生物玻璃/多聚物復(fù)合材料如何在體內(nèi)長效修復(fù)神經(jīng)元仍然是需要解決的問題。

4.2.3 其他軟組織修復(fù)

生物玻璃與多聚物復(fù)合材料還能用于心臟、腸道、肺等軟組織的修復(fù)。如將45S5與聚癸二酸丙三醇酯混合用于心肌梗塞的治療，最佳含量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，復(fù)合材料的彈性模量在0.5 MPa左右，在模擬體液浸泡后降低到0.2 MPa，適合心臟組織修復(fù)[43]。相似的是，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的45S5與聚D，L-丙交酯復(fù)合可促進(jìn)人肺上皮細(xì)胞繁殖，具備肺組織修復(fù)功能[30]。對于腸道和子宮內(nèi)膜修復(fù)，則生物玻璃的含量較低，如Boccaccini等用生物玻璃與聚乳酸-羥基乙酸復(fù)合制備多孔管狀材料，發(fā)現(xiàn)1% 的45S5即可誘導(dǎo)腸道細(xì)胞再生[44]，對于子宮內(nèi)膜修復(fù)，生物玻璃的最佳含量為1.5%[45]。如果將45S5涂覆在多聚物上，則很低的濃度即可促進(jìn)血管新生，如Day等發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞在濃度為0.01%(m/V)的45S5涂覆的聚羥基乙酸上表達(dá)的VEGF量最高，而濃度高于0.2%時則對細(xì)胞有毒性，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了植入大鼠皮下囊的復(fù)合材料中有大量新生血管生成[46]。

4.3 腫瘤殺傷作用

近年來發(fā)現(xiàn)，在生物玻璃中摻雜磁性元素能夠達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞和促進(jìn)組織再生的雙重目的，在腫瘤治療中取得了良好的效果。Lu等將SrFe12O19修飾的介孔生物玻璃/殼聚糖多孔支架植入大鼠體內(nèi)后，經(jīng)0.3 W·cm-2的近紅外光照射2 min后，植入部位的溫度上升到43 ℃，骨癌細(xì)胞的殺傷率達(dá)到84.6%，此外，SrFe12O19產(chǎn)生的磁場使人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖，相關(guān)成骨通路激活[47]。另外摻雜鉍、鋇等元素[48, 49]也發(fā)現(xiàn)了相似的熱療效應(yīng)。Wang等將Bi2O3摻雜的磷硅酸生物玻璃S6P2B植入裸鼠骨癌組織，受到1.5 W·cm-2的近紅外光照射后，骨癌組織處的溫度迅速升高到55 ℃，照射10 min，裸鼠在1 d后腫瘤組織開始瓦解，15 d后完全消失，其中鉍的摻雜量越高，產(chǎn)生的熱療效應(yīng)越高，但高于6%(摩爾分?jǐn)?shù))時對細(xì)胞有毒性[48]。

5 結(jié) 語

生物玻璃已經(jīng)被廣泛用于人體組織修復(fù)，如骨、軟骨、皮膚、心臟、肺、神經(jīng)等組織。這些應(yīng)用都與其組成成分可靈活調(diào)控，可與金屬、天然或合成的高分子聚合物有效復(fù)合密切相關(guān)。同時，生物玻璃還可以與干細(xì)胞、藥物等聯(lián)合使用實(shí)現(xiàn)細(xì)胞預(yù)激活和藥物緩釋的目標(biāo)。生物玻璃的進(jìn)一步設(shè)計和研發(fā)仍然是目前組織修復(fù)和疾病控制中重要的課題，現(xiàn)有的修復(fù)支架材料也面臨著許多問題和挑戰(zhàn)，如力學(xué)性能需要與待修復(fù)組織匹配，實(shí)現(xiàn)可控的離子釋放速度和濃度，降低機(jī)體的炎癥反應(yīng)，縮短修復(fù)時間，以及在臨床上使用方便和成本控制等。這些問題都需要更多的體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行細(xì)胞和分子層面的深入研究。相信未來生物玻璃會有更廣闊的醫(yī)用潛力和空間。