骨移植替代用生物活性玻璃复合材料研究进展

谭玉风

(济南市儿童医院，山东济南250011)

生物活性玻璃是一种具有优良的生物相容性、生物活性和良好的化学及机械性能的无机类生物活性材料［1］，能够与骨组织形成稳定的化学性键合，在植入部位迅速形成良好的羟基磷灰石层。生物活性玻璃因其良好的生物性能，备受生物医学和材料科学等交叉学科的关注，尤其是生物活性玻璃复合材料的成功开发，一问世便引起了世界各国医用生物材料研究者的重视。因此广泛进行生物活性玻璃复合材料的研究开发具有重要的现实意义及应用价值。

1 生物玻璃的体系

生物玻璃一般为CaO－SiO2－P2O5系统，最早为Hench教授在1971年成功研制的45S5玻璃，由于机械性能不稳定，45S5玻璃并不能应用于受体的承重部位，需通过与其它材料的复合改善其性能。Bromer等在1973年成功制备了Na2O－K2O－MgO－CaO－P2O5－SiO2Ceravital微晶玻璃，其生物性能与45S5玻璃相比有所降低，但力学性能提高，并能够应用于受力不明显的非载荷部位，可作为骨水泥用于临床。目前主要研究开发的生物玻璃有:Na2O－CaO－SiO2－P2O5系玻璃、微晶生物玻璃、磁性生物活性玻璃陶瓷、可溶性磷酸盐玻璃等。

2 生物玻璃复合材料

由于生物玻璃与骨组织的弹性模量不匹配，机械性能不足，易造成骨修复失败，极大地限制了其使用范围，而部分高分子聚合物具有较好的机械性能，如将生物玻璃与高分子聚合物复合，既可解决两者机械性能和弹性模量不匹配的问题，又可满足移植材料的要求。近年来，生物玻璃复合材料得到了广泛的开发应用，目前已研发的复合材料主要有下述几种。

2.1 与高分子聚合物复合 生物玻璃和纤维材料等高分子聚合物复合后，大大提高了复合材料的韧性。Lee HH等［2］利用溶胶凝胶法研制了生物活性玻璃纳米纤维复合材料，研究表明，该复合材料具有典型的聚ε－己内酯(poly ε－caprolactone，PCL)的矩阵，能够快速诱导磷灰石沉淀，在模拟体液(SBF液)中浸泡显示具有良好的生物活性，成骨细胞亦表现出良好的生物活性，碱性磷酸酶水平显著提高，这意味着它可以促进骨的再生。Jo JH等［3］利用溶胶凝胶法制备了聚ε－己内酯/生物活性玻璃纳米纤维(poly ε－caprolactone/bioactive glass nanofibers，PCL/BGNF)复合材料，该复合材料的纤维分布更均匀，不但使成骨细胞在体外的活性得到提高，而且使其弹性模量更匹配，并表现出良好的生物活性和体内成骨能力。Li N等［4］将聚乙二醇(PEG)加入到生物活性玻璃凝胶中制得大孔溶胶凝胶生物玻璃，研究表明运用这种方法，可以通过改变PEG粒子的粒径大小有效地控制块体生物玻璃孔径大小，从而使制备的骨修复材料同时满足机械强度和生物活性的要求，在组织修复的应用中具有巨大的潜力。另据报道，美国和英国的科学家利用“激光纺纱”技术成功的从生物玻璃当中提取出纳米纤维，该材料具有的良好的机械强度和韧性，这意味着它可以用于骨的修复和再生。

2.2 与磁性无机非金属材料复合 磁性生物活性玻璃陶瓷在医学领域有着十分广阔的应用前景，可用作示踪剂、造影剂、靶向释药载体、骨缺损修复材料等。Bretcanu等［5］采用共沉淀法制备了24.7%SiO2－13.5%Na2O－13.5%CaO －3.3%P2O5－14%FeO－31%Fe2O3(质量分数)体系的磁性生物活性玻璃陶瓷，研究表明，该材料具有较好的生热性能，而将材料浸泡在模拟体液中，两周后其表面形成了一层羟基磷灰石层，说明该材料具有良好的生物活性。Wang TW等［6］采用溶胶凝胶法，制备了可降解的Na2O－CaO－P2O5－SiO2－Fe2O8体系新型磁性生物玻璃陶瓷，研究表明该材料在交变磁场下，可以使温度升高，在体外交变磁场的照射下有很强的升温杀死癌细胞的能力及良好的生物活性。Arcos D等［7］利用双向复合法制备了一种新型的双相磁性生物玻璃陶瓷，研究表明，该材料具有了不含铁的溶胶－凝胶相赋予的良好的生物活性，也具有了含铁的熔融相赋予的良好磁性，这种双相陶瓷是一种非常有前景的热性材料。

2.3 与钛合金的复合 钛合金由于其耐疲劳、耐腐蚀、生物相容性优良等优势被广泛用作医用材料，但因其没有生物活性，植入后无法促进骨修复。近年在合金表面涂覆具有生物活性的羟基磷灰石或生物玻璃等材料，改善医用合金材料的生物活性和生物相容性，已成为生物医学材料领域的研究热点。李慕勤等［8］采用高速火焰喷涂方法，在Ti6Al4V基体表面喷涂不同比例的钛－生物玻璃复合涂层，喷涂后以5℃·min－1加热至700℃保温1 h后随炉冷却，研究表明，其添加不同含量的底釉生物玻璃获得的涂层结合强度范围在38～57 MPa之间，其结合强度受底釉生物玻璃添加量及热处理的影响，随着生物玻璃添加量递增，其结合强度增加;热处理释放了喷涂时产生的应力，故而使纯钛涂层裂纹加宽，而底釉生物玻璃的加入，不但与钛发生浸润、扩散，而且涂层也有再结晶和新相沿裂纹析出，起到修复裂纹的作用，其在骨修复方面具有一定的优势和良好的应用前景。

2.4 与无机金属材料复合 生物玻璃与某些无机金属材料复合，不但没有降低生物玻璃的生物活性、生物相容性和机械性能，反而可使生物玻璃的生物活性更好发挥，治疗作用得到进一步提高，使疗效更确切。葡萄牙科学家Anbalagan Balamurugan和法国科学家 Gerard Balossier等［9］在 CaOP2O5－SiO2系生物材料的基础上加入少量的Zn，制备了CaO－P2O5－SiO2－ZnO生物活性玻璃，研究表明少量Zn的加入，不但没有降低材料的生物活性，而且还可以刺激早期细胞的增殖。Luo SH等［10］利用常规方法在1 100～1 200℃将硼酸盐生物活性玻璃与氧化银复合获得了硼酸盐生物活性玻璃涂层材料，该材料含2 wt%的银有毒性，但含0.75 wt%的银确没有毒性，而含1wt%银的复合材料不仅抑制细菌，还使钛等骨科材料的生物活性得到提高。此外，一些科学家在生物玻璃中加入了少量的铁，同样提高了生物玻璃的生物活性。

3 生物玻璃的应用

由于具备良好的生物活性、兼容性及机械性能，生物活性玻璃主要作为骨骼或牙齿的移植物应用于临床。近年研究发现，生物玻璃不仅可作为骨移植的替代材料，而且还具有促进伤口愈合的作用，此外，磁性生物玻璃复合材料在抗癌治疗中的作用也日益受到广泛关注。美国的Davi d C等［11］在其专利中介绍了一种加速创伤和烧伤愈合的复合物，其中包含组分(质量分数)为 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，能够促进伤口的愈合，研究表明，该复合物在材料粉体表面形成羟基磷灰石胶结层，而生物玻璃溶解后，局部硅离子浓度的升高可促进细胞的新陈代谢，激发促创伤愈合因子的自分泌反应，加速创伤的修复，并聚集于羟基磷灰石胶结层的表面，使新生组织能够在整个创面顺利爬移和覆盖。有研究报道［12］，生物活性玻璃既可促进牙本质的形成，又可促进牙本质矿化，具有保护牙髓的作用。另据报道，美国生物公司(U.S Biomaterials Corporation)研究开发了两种生物玻璃复合材料 PerioGlas粉(90～710 μm)和Nova Min，其中PerioGlas粉是牙周炎的克星，而Nova Min是一种含有生物玻璃粉末的牙膏，用于治疗牙齿对冷热过敏及牙周疾病。Luderer等［13］将锂和铁加入到生物活性玻璃陶瓷中，制得了化学组成为 60.5%Fe2O3－23.7%P2O5－11.6%Li2O －3.4%SiO2－0.4%A12O3(质量分数)的生物玻璃陶瓷，其已用于热疗治疗癌症，该玻璃陶瓷中除含磁铁矿Fe3O4外还含有锂铁氧体作为磁性晶相，其磁性能良好，能成功地用作磁流体治疗肿瘤。

4 不足与展望

生物活性玻璃虽然已应用于临床，但其与天然骨比较，仍有一定的缺陷，主要表现在:①生物玻璃的机械强度和韧性不足，生物活性玻璃与其它组分材料之间主要通过机械复合，玻璃与基体材料的界面之间的结合力较弱，导致材料的机械强度较低，无法与天然骨组织媲美，限制了材料的广泛应用;生物玻璃或微晶玻璃弹性模量高，材料与骨组织弹性模量不匹配，引起应力屏蔽造成骨修复失败;②迄今为止所用的生物玻璃降解问题并不理想，目前所使用的生物玻璃和微晶玻璃是第2代生物材料，即材料能通过表面化学反应产生磷灰石层与骨结合，但不能降解或降解速度很慢;③生物玻璃的生物性能不稳定有待进一步提高，生物活性玻璃中多数含有硅的成分，硅在体内不能降解并且其代谢机理目前仍不是很清楚，不论生物玻璃在人体内植入时间的长短，其最终不可能转化为与人体骨组织类似的物质;而可溶解的磷酸盐玻璃体系一般含钠，材料降解使得局部离子浓度和pH值发生较大变动，影响周边细胞和组织的功能，并有可能影响体内的离子平衡。

如何克服上述缺陷，充分发挥生物活性玻璃的优良性能，是材料科学及医学工作者的研发重点。目前通过改变生物玻璃的组分及制备工艺等已使生物活性玻璃的性能得到一定程度的改善，相信随着医疗技术及材料科学与生物科学等交叉学科的快速发展，必将会研发出与天然骨相媲美的完善的骨移植替代材料，生物活性玻璃也将会给人类带来越来越多的益处，其必将拥有更为广阔的应用前景。

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