楊笑然，吳振寧，吳志煒，王博文，張垠

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

0 引 言

生物玻璃是一類能夠在生物體內(nèi)發(fā)揮特定生理功能的醫(yī)療材料。由于其擁有優(yōu)秀的細(xì)胞相容性(促進(jìn)細(xì)胞增殖能力、良好的細(xì)胞粘附能力及低毒性)[1]，吸引了大量生物材料領(lǐng)域研究人員的目光。許多研究人員致力于從事生物玻璃開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的研究工作。生物玻璃作為一種有生物活性的無(wú)機(jī)材料，在模擬細(xì)胞外液環(huán)境(SBF)中能夠誘導(dǎo)羥基磷灰石(HA)的形成，同時(shí)羥基磷灰石也是人體骨組織的無(wú)機(jī)成分并且與有機(jī)界面接觸后能夠誘導(dǎo)骨組織的生成與修復(fù)[2-3]。因此在骨組織修復(fù)領(lǐng)域有非常巨大的應(yīng)用前景。

隨著生物活性玻璃研究的不斷深入，生物玻璃的應(yīng)用被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。除了硬組織的修復(fù)外，研究人員還發(fā)現(xiàn)生物玻璃在軟組織修復(fù)領(lǐng)域也能發(fā)揮重要的作用，特別是新血管生成[4-5]、皮膚組織修復(fù)[6-7]及止血凝血領(lǐng)域[8]。先前的研究已經(jīng)驗(yàn)證了生物玻璃能夠調(diào)節(jié)人體內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)，促進(jìn)膠原蛋白分泌的作用。通過(guò)在制備過(guò)程中加入各類金屬鹽，生物玻璃材料的這些生物學(xué)性能將得到擴(kuò)展及強(qiáng)化。為了滿足各類應(yīng)用領(lǐng)域的需求，使用摻雜不同金屬離子的生物玻璃將會(huì)成為未來(lái)生物玻璃研究的熱點(diǎn)。

1 生物玻璃的制備方法

第一代的生物玻璃由Larry Hench于1971年發(fā)表，他采用熔融衍生法制備了兩種生物玻璃: 45S5[46.1SiO2-26.9CaO-24.4Na2O-2.6P2O5(mol%)]和S53P4 [53SiO2-20CaO-23Na2O-4P2O5(mol%)]。其中S53P4已經(jīng)被考慮用于骨組織和牙齒的增強(qiáng)劑和修復(fù)劑[1-2]。第二代生物玻璃，采取了溶膠-凝膠法制備。通過(guò)這種方法得到的生物玻璃，SiO2的含量即使增大到80wt.%依舊擁有良好的生物活性[9]。使用模板劑制備的新一代生物活性玻璃(第三代生物玻璃)，于2004年Yan等人采用了自組裝法(EISA)開(kāi)發(fā)[3]。與傳統(tǒng)的生物玻璃(傳統(tǒng)生物玻璃一般指溶膠凝膠法制備的第二代BG)相比較，新一代的生物玻璃擁有著高度而且有序的介孔結(jié)構(gòu)和更大的比表面積，這對(duì)于藥物輸送來(lái)說(shuō)具有相當(dāng)重要的意義[3-11]。由于其所具備的這些特性，生物玻璃引起了人們廣泛的關(guān)注。常江課題組在2006年采用了兩步酸催化法制備出了有序的介孔生物活性玻璃，相比于Yan的方法，常江的兩步酸催化法(TSACSA)有更高的可控性和更細(xì)小的粉體[12]。在此之后，常江還得到不采用水熱法也能制備介孔生物玻璃的新方法[13]。而且該方法將有可能實(shí)現(xiàn)高效且能批量生產(chǎn)有序介孔生物玻璃。

2 生物玻璃的生物性能

所謂的生物活性，是指能夠誘導(dǎo)特定物質(zhì)使其具有生物活性(歐洲生物材料協(xié)會(huì)共識(shí)；1987)[14]。而研發(fā)出生物玻璃的Hench博士則將其定義為能在表面處引發(fā)特定生物反應(yīng)且與宿主相結(jié)合，可以導(dǎo)致物質(zhì)形成化學(xué)鍵的一類生物材料[15]。而我們所使用的介孔玻璃在與生物液體接觸時(shí)會(huì)在其表面先形成羥基碳酸磷灰石(HCA)，然后進(jìn)一步礦化為羥基磷灰石與周圍的軟組織或硬組織相結(jié)合[2-3]。將介孔玻璃浸泡于生物模擬體液(SBF)中進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，其表層形成羥基碳酸磷灰石的時(shí)間，數(shù)量，是判斷該種介孔玻璃是否具有生物活性的重要指標(biāo)之一[16-18]。

生物活性玻璃具有骨傳導(dǎo)，促進(jìn)血管生產(chǎn)的能力，較高的生物活性并且能夠與生物組織有機(jī)結(jié)合的特點(diǎn)，正因如此，很長(zhǎng)一段時(shí)間人們對(duì)其進(jìn)行了深入的研究[19]。如：在作為藥物釋放載體方面[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的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)之前的研究顯示，鈣離子(Ca2+)作為一種凝血輔助因子IV，可以促進(jìn)Ⅰ(纖維蛋白原)、Ⅱ(凝血酶原)和Ⅲ(組織凝血激酶)型凝血因子的表達(dá)[20]。最早開(kāi)始研究的是Dai等人，他們發(fā)現(xiàn)在高度有序的介孔玻璃種摻雜Ag+離子可以使生物玻璃具備止血和抗菌的能力[21]。事實(shí)上，鈣離子(Ca2+)在促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化方面具有很大的潛力，提供了誘導(dǎo)成骨礦化的ECM(細(xì)胞外基質(zhì))模板[22]。人們發(fā)現(xiàn)將生物玻璃粉末添加到傷口部位，顯著提高了傷口愈合的效率[23]。這正是由于生物玻璃溶解，釋放出了鈣離子，加速了血液的凝固，同時(shí)促進(jìn)了表皮細(xì)胞的遷移和增殖[6]，從而也促進(jìn)了傷口的愈合。其釋放的硅離子(Si4+)，在長(zhǎng)時(shí)間的研究中證實(shí)了這對(duì)于刺激膠原蛋白和血管的生成有著非常的作用。經(jīng)過(guò)體外的研究發(fā)現(xiàn)，將介孔生物玻璃作用于人體成纖維細(xì)胞表面，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)呈現(xiàn)下調(diào)趨勢(shì)[7]，而TGF-β信號(hào)的傳導(dǎo)涉及到傷口愈合階段。另外，磷離子(P5+)液刺激了骨骼肌Gla蛋白(MGP)的表達(dá)[24]。硼酸鹽基生物玻璃中，研究表明硼離子(B3+)具有刺激血管組織生成和促進(jìn)成纖維細(xì)胞中RNA合成的能力[4-5]?？偠灾锘钚圆ＡЪ炔挥绊懮矬w的正?；顒?dòng)和活性又能與生物體良性結(jié)合，在藥物載體，凝血，礦化組織的植入物方面具有很深遠(yuǎn)的意義。

3 摻雜離子對(duì)生物玻璃性能的影響

許多無(wú)機(jī)離子在生物體的代謝中都發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。甚至非人體必需的元素已經(jīng)可以作為藥物提供治療，如鎵離子(Ga3+)已經(jīng)獲得了美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)的批準(zhǔn)[21]。而摻雜性離子(如：Ga3+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Mg2+)的加入，使得生物玻璃的溶解行為，結(jié)晶，形態(tài)等物理性能發(fā)生改變。除此之外，離子的釋放量和是否能以可控的方式釋放也是我們關(guān)心的問(wèn)題。顯而易見(jiàn)，理解摻雜性離子對(duì)生物玻璃的性能的影響對(duì)于研發(fā)更有應(yīng)用前景的生物玻璃變得關(guān)鍵。

3.1 鎵離子的生物作用及其對(duì)生物玻璃性能的影響

鎵元素，是一種人體非必需的元素，而鎵離子(Ga3+)是一種生物學(xué)功能的治療離子。例如長(zhǎng)期的研究中發(fā)現(xiàn)Ga3+離子在治療腫瘤方面表現(xiàn)出優(yōu)異的療效，并且已經(jīng)制備出了一些含鎵的藥物[25]。對(duì)大

多數(shù)細(xì)菌例如大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等有抗菌活性[25-26]。Maria Vallet-Regi’s 最早開(kāi)始對(duì)含鎵的介孔生物玻璃的研究。硝酸鎵對(duì)于暴露性的開(kāi)放傷口有很好的止血效果，尤其是當(dāng)硝酸鎵作用于早期的傷口[21]。而Valappil等人對(duì)摻雜鎵離子的最適含量進(jìn)行研究。通過(guò)摻雜不同含量的鎵離子(1-3 mol%)發(fā)現(xiàn)，氧化鎵的摻入將會(huì)降低硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)聚合程度，形成更多非橋氧結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低了有序介孔玻璃的空隙有序性。此外，1%Ga-MBG的結(jié)構(gòu)性能(比表面積509 m2/g和孔體積0.78 cm3/g)是最佳的，較低的細(xì)胞毒性。1mol%Ga顯著降低了約60%活化部分凝血酶時(shí)間(APTT)，這對(duì)于早期的止血具有很大的意義[21]。 除此外，他們還研究了1%Ga-MBG、沸石止血?jiǎng)┘皻ぞ厶侵寡牧系闹寡吧镄阅堋Ｋ麄冎赋?%Ga-MBG較高的比表面積和較大的孔體積、高表面負(fù)電荷及大量硅烷醇基團(tuán)，在凝血過(guò)程中促進(jìn)血小板活化和凝血酶的生成，具有較高的血栓生成量。這或許是比沸石分子篩和殼聚糖有更強(qiáng)的凝血效果的原因[8]。但迄今為止，還沒(méi)有機(jī)構(gòu)對(duì)摻雜鎵離子的介孔生物活性玻璃的止血機(jī)理有明確的的表述，但可以肯定的是，含鎵的介孔生物玻璃將對(duì)臨床應(yīng)用有重大的意義。

3.2 銅離子的生物作用及其對(duì)生物玻璃性能的影響

銅元素作為人體必需的微量元素，參與了人體的很多代謝過(guò)程[27]。在很早之前，人們就已經(jīng)意識(shí)到銅具有一定的抗菌性能。銅能夠與一些有機(jī)類化合物(如：硫醇，胺等)形成化學(xué)鍵，然后結(jié)合到細(xì)胞膜表面，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[28-29]。銅離子(Cu2+)還被證明具有促進(jìn)人內(nèi)皮細(xì)胞增殖的能力，這對(duì)傷口愈合來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的[28-30]。Borkow等人將氧化銅(CuO)的顆粒物摻雜在傷口敷料中，并對(duì)其進(jìn)行了生物體體外的安全性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Cu的抗菌特性和刺激血管生成的功能[31]。將銅復(fù)合到生物活性玻璃上是Li等人于2008年首先報(bào)道。他們的研究實(shí)驗(yàn)證明了Cu2+具有較高的促進(jìn)血管生成的生物學(xué)功能[32]。我們還可以發(fā)現(xiàn)在摻雜Cu的生物活性玻璃體系中，當(dāng)其在傷口發(fā)揮作用時(shí)，Cu的釋放優(yōu)先于Si[30]。顯然，這很好的避免了Cu2+的不受人為控制的大量聚集性的釋放，大大降低了因Cu2+大量釋放，而引起的Cu2+濃度過(guò)高而導(dǎo)致的其他并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。在很長(zhǎng)的一段研究時(shí)間中，人們發(fā)現(xiàn)銅離子(Cu2+)可以以較高的活性促進(jìn)血管生長(zhǎng)因子(包括：成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)等)的表達(dá)[33-34]。但是在有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在糖尿病人的傷口中會(huì)有Cu2+聚集帶來(lái)的危險(xiǎn)。因此Rath等人一直在探討介孔生物活性玻璃摻入中Cu的最佳劑量[35]。

3.3 鎂離子的生物作用及其對(duì)生物玻璃性能的影響

鎂元素在人體中的豐富程度雖然只是第十，但是其陽(yáng)離子(Mg2+)的豐富程度卻位居第四[36]。鎂主要存在于人體的牙齒和骨質(zhì)中，這兩部分包含了人體約65%的鎂。鎂在人體內(nèi)發(fā)揮著顯著的生理作用[36]。其可以與骨細(xì)胞相互作用，促進(jìn)新骨的形成。當(dāng)其含量不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致骨生長(zhǎng)減少，吸收增加，最終引起患骨質(zhì)疏松[28-37]。當(dāng)鎂離子(Mg2+)添加到介孔生物玻璃網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，Mg-O鍵取代了Ca-O鍵，改變玻璃網(wǎng)絡(luò)的形成，最終會(huì)使玻璃網(wǎng)絡(luò)弱化。根據(jù)常江等人的研究表明，當(dāng)鎂摻雜到生物玻璃體系中后，使得生物玻璃的強(qiáng)度得到提高，很大程度上弱化了原始的玻璃網(wǎng)絡(luò)[39]。Balamurugan和Dietrich等人致力于對(duì)CaO-SiO2-P2O5-MgO網(wǎng)絡(luò)的研究。通過(guò)他們的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mg添加到玻璃網(wǎng)中后，根據(jù)在生物模擬體液(SBF)中浸泡的數(shù)據(jù)可以明確地知道介孔玻璃的生物活性顯著提高[38]。其機(jī)理是由于Mg的加入，玻璃網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，導(dǎo)致在玻璃網(wǎng)絡(luò)表面的羥基磷灰石(HAP)的結(jié)晶降低[28-38]。目前對(duì)鎂離子是否能夠促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化，由于缺乏明顯的對(duì)照比較，還尚不明確。但鎂離子的存在極大的改善了生物玻璃的強(qiáng)度和生物活性。

3.4 鋅離子的生物作用及其對(duì)生物玻璃性能的影響

鋅是人體一種必需的微量元素。在生物體內(nèi)的含量約2克，但其中約九成位于骨骼和肌肉[40]。我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到鋅在骨代謝中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可以刺激骨細(xì)胞中的相關(guān)蛋白質(zhì)和增強(qiáng)有關(guān)酶的活性，進(jìn)而誘導(dǎo)骨形成；除此外，還抑制了破骨細(xì)胞的形成，降低骨吸收[28]。此外鋅還有較好的抗菌和抗炎的性能。含2%檸檬酸鋅的潔牙劑已經(jīng)被用于相關(guān)的治療[28-41]。Bejarano等人研究了Zn-MBG體系的物理性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)添加鋅后生物玻璃的表面積和孔體積有了顯著的增加。正如上文所提到鎂離子的一樣，鋅的加入，也極大的使玻璃網(wǎng)絡(luò)弱化[39]。而Anand等人證明了鋅是網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑。他們指出對(duì)于CaO-P2O5-SiO2-B2O3-ZnO體系，當(dāng)鋅的含量較高時(shí)，生物玻璃結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度會(huì)大大提高[42]。在Aina等人對(duì)鋅離子含量的研究中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋅的含量超過(guò)10mol%時(shí)，鋅將會(huì)對(duì)個(gè)體產(chǎn)生負(fù)面影響[43]。而B(niǎo)alamurugan 則指出5mol%的鋅含量是一個(gè)相對(duì)理想的值[44]。而Du等人也指出，此時(shí)的鋅含量下，浸泡在生物模擬體液(SBF)中的無(wú)鈉生物玻璃中，鋅會(huì)使影響早期階段羥基碳酸磷灰石(HCA)的核形成，但不會(huì)影響HCA的形成[45]。顯然這對(duì)刺激體外骨的形成是沒(méi)有影響的。而Hoppe的團(tuán)隊(duì)不僅僅報(bào)道了當(dāng)生物玻璃溶解后，三磷酸腺苷(ATP)活性的提高導(dǎo)致生物組織周圍的細(xì)胞活性提高，而且他們的實(shí)驗(yàn)同樣也證明了堿性磷酸酶(ALP)的活性也出現(xiàn)了明顯的上升，而這對(duì)成骨細(xì)胞的增殖是具有很大的意義的[46]。而Dominic的實(shí)驗(yàn)證明了鋅離子在促進(jìn)新血管的生成方面也具有很強(qiáng)的能力[47]?？偠灾?，鋅離子確實(shí)使得生物玻璃的性能得到質(zhì)的改善。

3.5 銀離子的生物作用及其對(duì)生物玻璃性能的影響

銀作為一種貴金屬元素被人們熟知。而其抗炎，抗菌的作用更是早已被人本應(yīng)用與生活中。關(guān)于銀的抗菌作用，目前還沒(méi)有一個(gè)很好的定論，長(zhǎng)期以來(lái)人們一直在爭(zhēng)論和探討。一種解釋是由于銀對(duì)微生物的吸附，其體內(nèi)的酶就會(huì)失去功效，尤其是參與呼吸作用過(guò)程的酶，導(dǎo)致微生物迅速死亡[48-50]。擁有抗菌，抗炎能力的摻銀生物玻璃或許能夠解決在傷口感染時(shí)抗生素過(guò)度使用的問(wèn)題。在此之前，就有不少的學(xué)者對(duì)其做過(guò)探索。Hu等人采用納米多孔膜的生物活性玻璃(n-BGs)，且把銀離子(Ag+)摻雜在其內(nèi)，得到的結(jié)果證實(shí)銀離子摻雜的生物玻璃有較好的止血療效和抗菌作用[21]。與Hu等人的實(shí)驗(yàn)類似，Pratten等人也報(bào)道了Ag-MBG體系具有的良好的抗菌能力[49]。除此之外，Chaloupka也加入到對(duì)摻雜銀的生物玻璃的研究之中，他們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也得到了銀離子高效的抗炎能力[50]。Nadwrorny等人報(bào)道使用了摻雜銀的生物玻璃進(jìn)行研究。他們指出銀離子同樣具有下調(diào)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)的作用，這明確了摻雜銀的生物玻璃具有一定成骨能力[51]。將銀離子摻雜到生物玻璃體系中，將會(huì)使得生物玻璃更具發(fā)展前景。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

生物玻璃因具有優(yōu)異的生物學(xué)性能，人們對(duì)其開(kāi)展了深入的研究，通過(guò)摻雜相關(guān)的治療性離子可以提高生物玻璃的生物性能、并拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。但是更加廣泛和精準(zhǔn)的研究摻雜離子對(duì)生物玻璃的作用與影響是必要的。因此，需要開(kāi)展更加廣泛的研究摻雜離子對(duì)生物玻璃結(jié)構(gòu)和功能的影響及其促進(jìn)和誘導(dǎo)生物反應(yīng)的機(jī)理?？梢灶A(yù)見(jiàn)生物玻璃在醫(yī)用生物材料領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。