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)學和組織工程領域有了廣泛應用，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合，所以常用于骨缺損或牙齒的替代、再生及修復。隨著技術與材料的逐漸發(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）結合，能更快速有效地促進傷口愈合。本文回顧了BGs 的發(fā)展進程，并通過傷口修復機制探討B(tài)Gs 加速傷口修復的可能機制，最后對BGs 在傷口修復中的研究發(fā)展趨勢進行解讀。

目前，組織工程技術已經(jīng)成為促進傷口修復的重要手段之一。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研究[3-4]，近年來BGs 在軟組織，尤其是傷口修復中的作用逐漸受到重視。通過在創(chuàng)面局部應用不同成分的生物活性材料，可以達到抗炎、抗感染、促進血管生成、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 應用于創(chuàng)面修復的原理、機制及效果進行綜述。

1 生物活性玻璃

1.1 BGs 的組成和結構

BGs 最初由Hench 等[1]在1971 年報道，其主要成分為45%SiO2、24.5%Na2O2、4.5%CaO 和6%P2O5，隨后在1985 年開始應用于臨床[5]。通過與不同比例的無機氧化物結合，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)絡外體氧化物則起到增強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，如促進細胞增殖、加速局部生化反應、刺激血管生成以及抗炎抗菌等，從而在軟組織修復進程中起到重要作用[8-12]。

由于BGs 在體內(nèi)逐漸降解，所含離子會隨著降解逐漸釋放（如Na+和Ca2+等），這種釋放會造成組織局部pH 升高，高堿性環(huán)境會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，體外動物實驗證實其燒結性能更好、溶出率降低、生物活性更高[16]。BGs 降解導致的局部組織pH 升高是其抗菌作用的原理之一[15，19]，所以進一步研究應聚焦于BGs具備更好的生物活性的同時，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 不能很好地達到上述目的。Yan 等[20]報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、化學反應的特性，這種反應使材料和組織間形成化學鍵合。BGs 的生物活性主要體現(xiàn)在當BGs 與體液接觸時會形成碳酸羥基磷灰石（Hydroxy carbonate apatite，HCA），HCA 的結構和化學性質(zhì)均與天然磷灰石（即骨的礦物質(zhì)結構）相似。因此，生物材料表面的HCA 被認為是在植入物和組織界面形成穩(wěn)定結合的初始步驟之一[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）破壞細菌的DNA 和RNA 而達到抗菌的目的[2，27]。

1.3 BGs 與功能性離子

在生理條件下，BGs 在體內(nèi)逐漸降解的同時，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+）可促進血管化，同時具有一定的抗菌作用，還有研究證明其有促進間充質(zhì)干細胞增殖的作用[9，29-31]；鋅離子（Zn2+）也具有一定的抗菌及促進血管生成的特性[12，32]，從BGs 中釋放的Zn2+通過產(chǎn)生ROS 并在細胞質(zhì)或細菌外膜積累而產(chǎn)生抑菌作用[12]。鈰離子（Ce3+）同樣具有抗菌性能，其抗菌機制與Zn2+類似；Ce3+有利于成骨細胞的生長，改善骨的力學性能，促進骨形成的功能[33-35]。鎵離子（Ga3+）可有效治療局部感染，抑制生物膜形成，并對游離細菌和生物膜細胞具有殺菌作用[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、促進成骨細胞增殖、增加胰島素樣生長因子的表達，以及促進表皮細胞增殖等作用[37-38]。鍶離子（Sr2+）可促進細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，且屬于非細胞材料，目前被廣泛應用于組織工程研究中。然而，這些聚合物生物活性及機械強度較低，限制了其應用。BGs所擁有的生物活性和再生潛能則彌補了天然聚合物的缺陷[26]。

以膠原蛋白為例，膠原蛋白是細胞外基質(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胞的作用來控制細胞遷移、增殖和分化的周期，在軟組織修復過程中起到必不可少的作用[42]。在眾多人造輔料中，哺乳動物膠原蛋白由于其良好的傷口愈合效果，已經(jīng)被公認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強度則限制了其應用。通過將膠原蛋白和BGs 結合不僅能增強其力學強度，還能產(chǎn)生抗炎抗菌效果，更能滿足臨床應用的需求。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度和抗菌活性的前提下，還能促進人角質(zhì)形成細胞的黏附、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中的應用

2.1 傷口修復的過程

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

炎癥反應發(fā)生在損傷即刻，此時血管收縮、血小板聚集、凝血級聯(lián)反應等共同發(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，預防感染[48]。損傷修復的第二階段是新組織形成，發(fā)生在受傷后2～10 d，此時有多種不同類型的細胞增殖和遷移，如角質(zhì)形成細胞、巨噬細胞、成纖維細胞及其分化而成的肌成纖維細胞等[48]。在此期間，各個修復進程同時發(fā)生，包括表皮細胞再生、血管生成以及重新形成細胞外基質(zhì)，從而導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 年或更長時間[48]。期間膠原蛋白緩慢分解、合成以及重塑[47]；細胞外基質(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險，且該風險持續(xù)存在[50]。因此，加速凝血或及時止血、預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合，在體內(nèi)降解的過程中逐漸釋放功能性離子，可以達到促進血管再生、抗感染并促進創(chuàng)面愈合等效果。

2.2 BGs 在軟組織修復中的作用

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

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的表達并刺激新血管形成[26,54]。研究認為，可以通過改變硅酸鹽濃度等方法以增強硅酸鹽BGs 對軟組織的生物活性[55]。如何通過改變硅酸鹽濃度以達到生物活性和傷口修復能力之間的平衡，目前尚無統(tǒng)一定論。此外，Si4+對創(chuàng)面修復的具體分子機制還需進一步研究。

與硅酸鹽BGs 相比，硼酸鹽BGs 在創(chuàng)面修復中的作用更明顯[31]，其在軟組織修復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)出良好的促進神經(jīng)再生的能力[14，23]。由此可見，三種BGs 對軟組織修復均有積極作用，雖然已經(jīng)有諸多研究改進了BGs 并對其相關機制進行探究，但仍需要對BGs 在軟組織修復中的作用及其相關機制進行深入研究。

在軟組織修復中，生物活性玻璃納米顆粒（Bioactive glass nanoparticles，BGN）促進軟組織修復的機制與普通微米級BGs 類似，但BGN 的尺寸更小、表面積體積比更大，更容易制備成結構復雜的填充材料[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

雖然目前關于BGs 的研究主要集中在骨缺損修復中，但其加速止血、抗炎、生血管、抗感染的作用，使人們對其創(chuàng)面修復的作用產(chǎn)生極大興趣。BGs 本身的成分就復雜多變，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)揮不同效果以達到不同的修復目的。很明顯，BGs 的成分及制造不存在一個通用標準，即某種成分比例的BGs 能在各個方面均達到最佳效果，如何通過調(diào)整材料成分、比例、大小、劑量等，以在不同修復機制下達到令人滿意的效果，還需要深入探究。此外，雖然人們對傷口修復的機制有一定的理解，但目前仍存在尚未明確的機制。同樣，BGs 對于復雜傷口的修復機制也需進一步探索。

創(chuàng)面修復研究的主要重點仍是快速形成健康組織，BGs在創(chuàng)面愈合的各個階段均可產(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 結合的物質(zhì)成分在某一方面可能會達到相同的治療效果，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，仍需進一步探究。