骨移植替代用生物活性玻璃復(fù)合材料研究進展

譚玉風(fēng)

(濟南市兒童醫(yī)院，山東濟南250011)

生物活性玻璃是一種具有優(yōu)良的生物相容性、生物活性和良好的化學(xué)及機械性能的無機類生物活性材料［1］，能夠與骨組織形成穩(wěn)定的化學(xué)性鍵合，在植入部位迅速形成良好的羥基磷灰石層。生物活性玻璃因其良好的生物性能，備受生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等交叉學(xué)科的關(guān)注，尤其是生物活性玻璃復(fù)合材料的成功開發(fā)，一問世便引起了世界各國醫(yī)用生物材料研究者的重視。因此廣泛進行生物活性玻璃復(fù)合材料的研究開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義及應(yīng)用價值。

1 生物玻璃的體系

生物玻璃一般為CaO－SiO2－P2O5系統(tǒng)，最早為Hench教授在1971年成功研制的45S5玻璃，由于機械性能不穩(wěn)定，45S5玻璃并不能應(yīng)用于受體的承重部位，需通過與其它材料的復(fù)合改善其性能。Bromer等在1973年成功制備了Na2O－K2O－MgO－CaO－P2O5－SiO2Ceravital微晶玻璃，其生物性能與45S5玻璃相比有所降低，但力學(xué)性能提高，并能夠應(yīng)用于受力不明顯的非載荷部位，可作為骨水泥用于臨床。目前主要研究開發(fā)的生物玻璃有:Na2O－CaO－SiO2－P2O5系玻璃、微晶生物玻璃、磁性生物活性玻璃陶瓷、可溶性磷酸鹽玻璃等。

2 生物玻璃復(fù)合材料

由于生物玻璃與骨組織的彈性模量不匹配，機械性能不足，易造成骨修復(fù)失敗，極大地限制了其使用范圍，而部分高分子聚合物具有較好的機械性能，如將生物玻璃與高分子聚合物復(fù)合，既可解決兩者機械性能和彈性模量不匹配的問題，又可滿足移植材料的要求。近年來，生物玻璃復(fù)合材料得到了廣泛的開發(fā)應(yīng)用，目前已研發(fā)的復(fù)合材料主要有下述幾種。

2.1 與高分子聚合物復(fù)合 生物玻璃和纖維材料等高分子聚合物復(fù)合后，大大提高了復(fù)合材料的韌性。Lee HH等［2］利用溶膠凝膠法研制了生物活性玻璃納米纖維復(fù)合材料，研究表明，該復(fù)合材料具有典型的聚ε－己內(nèi)酯(poly ε－caprolactone，PCL)的矩陣，能夠快速誘導(dǎo)磷灰石沉淀，在模擬體液(SBF液)中浸泡顯示具有良好的生物活性，成骨細(xì)胞亦表現(xiàn)出良好的生物活性，堿性磷酸酶水平顯著提高，這意味著它可以促進骨的再生。Jo JH等［3］利用溶膠凝膠法制備了聚ε－己內(nèi)酯/生物活性玻璃納米纖維(poly ε－caprolactone/bioactive glass nanofibers，PCL/BGNF)復(fù)合材料，該復(fù)合材料的纖維分布更均勻，不但使成骨細(xì)胞在體外的活性得到提高，而且使其彈性模量更匹配，并表現(xiàn)出良好的生物活性和體內(nèi)成骨能力。Li N等［4］將聚乙二醇(PEG)加入到生物活性玻璃凝膠中制得大孔溶膠凝膠生物玻璃，研究表明運用這種方法，可以通過改變PEG粒子的粒徑大小有效地控制塊體生物玻璃孔徑大小，從而使制備的骨修復(fù)材料同時滿足機械強度和生物活性的要求，在組織修復(fù)的應(yīng)用中具有巨大的潛力。另據(jù)報道，美國和英國的科學(xué)家利用“激光紡紗”技術(shù)成功的從生物玻璃當(dāng)中提取出納米纖維，該材料具有的良好的機械強度和韌性，這意味著它可以用于骨的修復(fù)和再生。

2.2 與磁性無機非金屬材料復(fù)合 磁性生物活性玻璃陶瓷在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景，可用作示蹤劑、造影劑、靶向釋藥載體、骨缺損修復(fù)材料等。Bretcanu等［5］采用共沉淀法制備了24.7%SiO2－13.5%Na2O－13.5%CaO －3.3%P2O5－14%FeO－31%Fe2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))體系的磁性生物活性玻璃陶瓷，研究表明，該材料具有較好的生熱性能，而將材料浸泡在模擬體液中，兩周后其表面形成了一層羥基磷灰石層，說明該材料具有良好的生物活性。Wang TW等［6］采用溶膠凝膠法，制備了可降解的Na2O－CaO－P2O5－SiO2－Fe2O8體系新型磁性生物玻璃陶瓷，研究表明該材料在交變磁場下，可以使溫度升高，在體外交變磁場的照射下有很強的升溫殺死癌細(xì)胞的能力及良好的生物活性。Arcos D等［7］利用雙向復(fù)合法制備了一種新型的雙相磁性生物玻璃陶瓷，研究表明，該材料具有了不含鐵的溶膠－凝膠相賦予的良好的生物活性，也具有了含鐵的熔融相賦予的良好磁性，這種雙相陶瓷是一種非常有前景的熱性材料。

2.3 與鈦合金的復(fù)合 鈦合金由于其耐疲勞、耐腐蝕、生物相容性優(yōu)良等優(yōu)勢被廣泛用作醫(yī)用材料，但因其沒有生物活性，植入后無法促進骨修復(fù)。近年在合金表面涂覆具有生物活性的羥基磷灰石或生物玻璃等材料，改善醫(yī)用合金材料的生物活性和生物相容性，已成為生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的研究熱點。李慕勤等［8］采用高速火焰噴涂方法，在Ti6Al4V基體表面噴涂不同比例的鈦－生物玻璃復(fù)合涂層，噴涂后以5℃·min－1加熱至700℃保溫1 h后隨爐冷卻，研究表明，其添加不同含量的底釉生物玻璃獲得的涂層結(jié)合強度范圍在38～57 MPa之間，其結(jié)合強度受底釉生物玻璃添加量及熱處理的影響，隨著生物玻璃添加量遞增，其結(jié)合強度增加;熱處理釋放了噴涂時產(chǎn)生的應(yīng)力，故而使純鈦涂層裂紋加寬，而底釉生物玻璃的加入，不但與鈦發(fā)生浸潤、擴散，而且涂層也有再結(jié)晶和新相沿裂紋析出，起到修復(fù)裂紋的作用，其在骨修復(fù)方面具有一定的優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。

2.4 與無機金屬材料復(fù)合 生物玻璃與某些無機金屬材料復(fù)合，不但沒有降低生物玻璃的生物活性、生物相容性和機械性能，反而可使生物玻璃的生物活性更好發(fā)揮，治療作用得到進一步提高，使療效更確切。葡萄牙科學(xué)家Anbalagan Balamurugan和法國科學(xué)家 Gerard Balossier等［9］在 CaOP2O5－SiO2系生物材料的基礎(chǔ)上加入少量的Zn，制備了CaO－P2O5－SiO2－ZnO生物活性玻璃，研究表明少量Zn的加入，不但沒有降低材料的生物活性，而且還可以刺激早期細(xì)胞的增殖。Luo SH等［10］利用常規(guī)方法在1 100～1 200℃將硼酸鹽生物活性玻璃與氧化銀復(fù)合獲得了硼酸鹽生物活性玻璃涂層材料，該材料含2 wt%的銀有毒性，但含0.75 wt%的銀確沒有毒性，而含1wt%銀的復(fù)合材料不僅抑制細(xì)菌，還使鈦等骨科材料的生物活性得到提高。此外，一些科學(xué)家在生物玻璃中加入了少量的鐵，同樣提高了生物玻璃的生物活性。

3 生物玻璃的應(yīng)用

由于具備良好的生物活性、兼容性及機械性能，生物活性玻璃主要作為骨骼或牙齒的移植物應(yīng)用于臨床。近年研究發(fā)現(xiàn)，生物玻璃不僅可作為骨移植的替代材料，而且還具有促進傷口愈合的作用，此外，磁性生物玻璃復(fù)合材料在抗癌治療中的作用也日益受到廣泛關(guān)注。美國的Davi d C等［11］在其專利中介紹了一種加速創(chuàng)傷和燒傷愈合的復(fù)合物，其中包含組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 SiO2(40% ～60%)、CaO(10% ～30%)、Na2O(10% ～35%)、P2O5－(2% ～8%)、CaF2(0～25%)、B2O3(0 ～10%)、K2O(0 ～8%)、MgO(0 ～5%)的生物活性玻璃，能夠促進傷口的愈合，研究表明，該復(fù)合物在材料粉體表面形成羥基磷灰石膠結(jié)層，而生物玻璃溶解后，局部硅離子濃度的升高可促進細(xì)胞的新陳代謝，激發(fā)促創(chuàng)傷愈合因子的自分泌反應(yīng)，加速創(chuàng)傷的修復(fù)，并聚集于羥基磷灰石膠結(jié)層的表面，使新生組織能夠在整個創(chuàng)面順利爬移和覆蓋。有研究報道［12］，生物活性玻璃既可促進牙本質(zhì)的形成，又可促進牙本質(zhì)礦化，具有保護牙髓的作用。另據(jù)報道，美國生物公司(U.S Biomaterials Corporation)研究開發(fā)了兩種生物玻璃復(fù)合材料 PerioGlas粉(90～710 μm)和Nova Min，其中PerioGlas粉是牙周炎的克星，而Nova Min是一種含有生物玻璃粉末的牙膏，用于治療牙齒對冷熱過敏及牙周疾病。Luderer等［13］將鋰和鐵加入到生物活性玻璃陶瓷中，制得了化學(xué)組成為 60.5%Fe2O3－23.7%P2O5－11.6%Li2O －3.4%SiO2－0.4%A12O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的生物玻璃陶瓷，其已用于熱療治療癌癥，該玻璃陶瓷中除含磁鐵礦Fe3O4外還含有鋰鐵氧體作為磁性晶相，其磁性能良好，能成功地用作磁流體治療腫瘤。

4 不足與展望

生物活性玻璃雖然已應(yīng)用于臨床，但其與天然骨比較，仍有一定的缺陷，主要表現(xiàn)在:①生物玻璃的機械強度和韌性不足，生物活性玻璃與其它組分材料之間主要通過機械復(fù)合，玻璃與基體材料的界面之間的結(jié)合力較弱，導(dǎo)致材料的機械強度較低，無法與天然骨組織媲美，限制了材料的廣泛應(yīng)用;生物玻璃或微晶玻璃彈性模量高，材料與骨組織彈性模量不匹配，引起應(yīng)力屏蔽造成骨修復(fù)失敗;②迄今為止所用的生物玻璃降解問題并不理想，目前所使用的生物玻璃和微晶玻璃是第2代生物材料，即材料能通過表面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生磷灰石層與骨結(jié)合，但不能降解或降解速度很慢;③生物玻璃的生物性能不穩(wěn)定有待進一步提高，生物活性玻璃中多數(shù)含有硅的成分，硅在體內(nèi)不能降解并且其代謝機理目前仍不是很清楚，不論生物玻璃在人體內(nèi)植入時間的長短，其最終不可能轉(zhuǎn)化為與人體骨組織類似的物質(zhì);而可溶解的磷酸鹽玻璃體系一般含鈉，材料降解使得局部離子濃度和pH值發(fā)生較大變動，影響周邊細(xì)胞和組織的功能，并有可能影響體內(nèi)的離子平衡。

如何克服上述缺陷，充分發(fā)揮生物活性玻璃的優(yōu)良性能，是材料科學(xué)及醫(yī)學(xué)工作者的研發(fā)重點。目前通過改變生物玻璃的組分及制備工藝等已使生物活性玻璃的性能得到一定程度的改善，相信隨著醫(yī)療技術(shù)及材料科學(xué)與生物科學(xué)等交叉學(xué)科的快速發(fā)展，必將會研發(fā)出與天然骨相媲美的完善的骨移植替代材料，生物活性玻璃也將會給人類帶來越來越多的益處，其必將擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。

［1］唐倩，梁煥友.溶膠－凝膠法制備的生物活性玻璃的研究進展［J］.國際口腔醫(yī)學(xué)雜志，2006，33(4):275－277.

［2］Lee HH，Yu HS，Jang JH，et al.Bioactivity improvement of poly(ε－caprolactone)membrane with the addition of nanofibrous bioactive glass.Acta Biomater，2008，4(3):622－629.

［3］Jo JH，Lee EJ，Shin DS，et a1.In vitro/in vivo biocompatibility and mechanical properties of bioactive glass nanofiber and poly(ε － caprolactone)composite materials［J］.Biomed Mater Res B Appl Biomater，2009，91(1):213 －220.

［4］Li N，Jie Q，Zhu SM，et al.Preparation and characterization of macroporous solgel bioglass［J］.Ceram Int，2005，31(5):641－646.

［5］Bretcanu O，Spriano S，Vitale CB，et al.Synthesis and characterization of coprecipitation－derived ferrimagnetic glass－ ceramic［J］.J Mater Sci，2006，41(4):1029 －1037.

［6］Wang TW，Wu HC，Wang WR，et al.The development of magnetic degradable DP－bioglass for hyperthermia cancer therapy［J］.Biomed Mater Res，2007，83A(3):828 －837.

［7］Arcos D，del RR，Vallet－ Regi MA novel bioactive and magnetic biphasic material［J］.Biomaterials，2002，23(10):2151－2158.

［8］李慕勤，孟祥才，莊明輝，等.熱處理對鈦－生物玻璃涂層結(jié)合強度的影響［J］.材料熱處理學(xué)報，2009，30(2):158－161.

［9］Balamurugan A，Balossier G，Kannan S，et al.Development and in vitro characterization of solgel derived CaO－P2O5－SiO2－ ZnO bioglass［J］.Acta Biomaterialia，2007，3(2):255－262.

［10］Luo SH，Xiao W，Wei XJ，et al.In vitro evaluation of cytotoxicity of silver － containing borate bioactive glass［J］.Biomed Mater Res B Appl Biomater，2010，95(2):441 －448.

［11］Greenspan DC，West JK.Composition and method for acceleration of wound and burn healing:US，041186［P］.2001－11－15.

［12］Vollenweider M，Brunner TJ，Knecht S，et al.Remineralization of human dentin using ultrafine bioactive glass particles［J］.Acta Biomater，2007，3(6):936 －943.

［13］Luderer AA，Borrelli NF，Panzarino JN，et al.Glass－ ceramic－mediated，magnetic－field－induced localized hyperthermia:response of a murine mammary carcinoma［J］.Rad Res，1983，94(1):190－198.