骨修复材料生物活性玻璃矿化性能影响因素的研究进展*

2021-12-23王建春刘渊君王宏远

口腔颌面修复学杂志 2021年4期

王建春刘渊君王宏远

因创伤、骨疾病及感染等因素所导致的骨组织缺损患者数目巨大，当缺损较小时机体能够自行修复，缺损较大时就需要外界干预才能达到良好的骨修复效果［1，2］。目前，外界干预的最主要方法是骨移植，因移植自体骨造成二次损伤以及移植异体骨所存在的免疫排斥反应、疾病传染风险等问题暂未得到有效解决，二者的应用受到了一定的限制［3］。近年来人工合成骨修复材料逐渐崭露头角，这类材料拥有诸多优点，比如利于细胞生长、促成骨性能强等［4］。理想的骨修复支架材料应具有以下特点：（1）支架应具有大的比表面积，可在提供理想的机体微环境的同时使成骨细胞（Osteoblast，OB）拥有可依附的稳定的三维空间。（2）材料植入人体后，可在其表面形成能与骨组织牢固结合的羟基磷灰石层。（3）材料的降解速率应是适宜且可控的，使其与新生骨发生的速率保持一致［5，6］。但目前很少有材料能达到这样的标准。生物活性玻璃（Bioactive glass，BG）在促进硬组织再生的同时对软组织也有键合和修复的作用［4］，具有很大的研发价值。本文将综述影响骨修复材料生物活性玻璃矿化性能的因素，旨在为生物活性玻璃矿化性能研究提供思路。

1.生物活性玻璃简介

生物活性玻璃（Bioactive glass，BG）由美国的Hench课题组于1969年研发而成。近年来，有相关报道表明，BG具有独特的骨诱导能力，能够上调宿主成骨基因的表达，引导骨生成，同时还具有生物降解性，生物相容性和骨传导特性［7-9］。BG植入人体后，与体液微环境发生反应，在表面形成碳酸羟基磷灰石（Carbonated hydroxylapatite，HCA）［10］，HCA通过吸附胶原和细胞与骨组织形成化学键结合，其界面结合力可达到骨组织间的三到四倍，矿化实验时HCA形成速率被作为评判生物活性玻璃矿化性能的指标。目前市面上的生物活性玻璃产品的理化性能尚不能达到理想的骨组织修复材料所要求的标准，所存在的问题主要有：（1）机械性能较差，植入后受到外力易塌陷，不能用以承重骨的缺损修复。（2）当前产品多为颗粒状，常用的制备工艺无法制备三维网状支架用于临床。（3）产品材料组分不均匀，颗粒部分二氧化硅含量高，导致降解速率缓慢，与新骨合成速率不匹配。（4）产品功能成分单一，不能在修复骨缺损的同时达成其他的治疗目的。

为了使生物活性玻璃能满足临床对于骨修复材料的要求，学者们从改变制备工艺、改变材料的成分以及制备复合材料三个方面探索改善生物活性玻璃矿化性能的方法。

2.生物活性玻璃的制备对其矿化性能的影响

高温熔融法是生物活性玻璃传统的制备方法，将原料混合在一起经高温熔融充分反应，过水淬冷，然后干燥去除水分形成生物活性玻璃，其代表产品是45S5®，化学组分为46.1mol% SiO2-24.4mol% Na2O-26.9mol% CaO-2.6mol%P2O5［11］。临床上为修复牙周骨组织缺损使用的倍骼生（PerioGlass®），已应用达近二十年，为促进骨折愈合采用的固骼生（NovaBone®）应用也已超过十五年，均取得了令人满意的疗效。但因高温熔制工艺条件复杂、高温挥发和元素污染会导致很多问题，如材料的组成成分不均匀、理化性能及生物学性能不够理想、孔隙率低、比表面积小、降解速率慢和矿化性能差等［12，13］。后不断有学者探索其他制备方法来克服这些缺点。

2.1 溶胶-凝胶法在上世纪九十年代，有学者开始将溶胶-凝胶法应用到BG的制作中。李正茂通过此法制备了BG并进行体外矿化实验，通过扫描电镜照片观察到随着时间推移，材料表面逐渐出现了成核生长的晶体，最终被针叶状的反应产物所覆满，经X射线衍射和傅氏转换红外光谱分析表明，该矿化层为HCA晶体［4］。溶胶-凝胶法制备BG操作方便，可设计剪裁BG的形状和大小，并具有独特的微孔结构，使其有更优异的体外矿化性能和生物活性，但也存在其他问题，如颗粒聚集不易分散，材料的孔隙直径无法达到相统一［4，14］。

2.2 模板合成法模板合成法是传统的溶胶-凝胶法结合模板自组装技术的制备方法。将模板加入到反应体系中，随着溶剂的蒸发，模板与BG无机前体结合成自组装凝聚体，最终加热去除模板后得到BG支架。余承忠使用此法制备了纳米生物活性玻璃（Nanoscale bioactive glass，NBG），经检验发现相比于溶胶-凝胶法，此法可准确地制作出所需形状及大小的支架材料，且支架具有高度有序的介孔结构，可有效地增加细孔总容积与比表面积，能高效地进行支架与机体组织之间的相互作用，矿化性能更强［15］。后有很多学者在反应体系中添加双模板，制备出的BG支架可同时存在直径较大的大孔结构（＞50nm）与直径较小的介孔结构（2-50nm）［16］，由此制备出的多级孔生物活性玻璃（Multistage aperture bioactive glass，MABG），结构上更接近天然骨，拥有良好的矿化性能［17］。

随着技术的不断创新还出现了其他各具优势的生物活性玻璃制备工艺，如可以满足临床个性化需求的3D打印技术等，但由于技术不成熟以及成本高昂等原因，如今市面上的生物活性玻璃制备工艺仍以熔融法为主，如何优化其他制备工艺以及降低成本，使生物活性玻璃得以量产是今后亟需解决的问题。

3.改变成分对生物活性玻璃矿化性能的影响

传统生物活性玻璃主要包含三种元素，分别为钙元素、硅元素和磷元素。在此基础上掺入其他元素或改变原有元素含量也是影响生物活性玻璃矿化性能的重要方法。

3.1硼元素刘瑜在生物活性玻璃中掺入硼元素，反应生成B2O3和B2O3SiO2网络生成体氧化物，硅氧四面体（silicon-oxy tetrahedron，SiO44-）和硼氧三角体（Boroxy deltoid，BO33-）作为形成此氧化物的结构单元，性能不稳定，易形成更多的断面。单元结构发生断裂后，BG的细孔总容积和比表面积增加，矿化性能得到加强［18］。在常宇辰及张爱娟的研究中也证实了这一点［19，20］。

3.2 锶元素在骨修复过程中，免疫微环境起着十分重要的作用。巨噬细胞（Macrophages，mø）可作为免疫微环境是否适合成骨的指示剂。材料被植入体内后，巨噬细胞受到刺激向不同方向极化：M1型巨噬细胞不利于成骨，而M2型巨噬细胞利于成骨。一定浓度的锶元素能诱导巨噬细胞极化方向，使局部形成适宜的成骨免疫微环境［21］。在林博等人的研究中，掺杂了锶元素的复合PVA/生物活性玻璃水凝胶能增强软骨细胞增殖，但体外矿化实验表现出的矿化性能反而低于不掺杂锶元素组［22］。这种现象在赵寅生的实验中得到了解释，Sr的掺入能使玻璃网络结构更加松散，可改变离子释放速率进而改变矿化性能。但具体影响效果与Sr掺入的量有关，当SrO的含量多于8wt%时，BG的矿化性能增强，反之，若低于8wt%性能减弱，尤其在SrO低于6wt%时，玻璃网络最稳定，性能最弱［23］。掺入多少锶能达到最佳的平衡点，仍需我们进一步实验研究。

3.3 磷元素传统的生物活性玻璃中包含有磷元素，某些学者发现改变磷元素的含量对BG的矿化性能也有影响。陈露等人制备了不同磷含量的BG，在体外实验中选择前成骨细胞（MC-3T3）做指示剂评价材料的矿化性能；在体内实验中，将材料植入大鼠颅骨缺损模型模拟临床场景来探究材料成骨作用。经实验发现传统BG降解会导致机体局部pH值的升高，而高磷BG中的磷元素可以抑制这一变化，利于材料与骨的结合。此外，体外实验显示高磷BG矿化性能良好；体内实验显示BG能促进成骨细胞分化、促进胶原以及矿化结节的形成，且高磷含量组（3.62mol%、5.07mol%）促矿化结节的形成能力最强。本研究中制备的BG呈现磷含量越高，新骨矿化生成越多，速度越快的趋势［24］。Tilocca的研究表明，含60wt%以上SiO2的生物活性玻璃的矿化性能差，植入后不易与骨骼产生结合。而含磷的生物活性玻璃与钠钙硅酸盐玻璃相比，网络形成体中的部分Si-O键被更不稳定的P-O-Si键所替代，使含磷生物玻璃的表面呈现出更明显的亲水性，加快玻璃的降解使矿化性能增强。但是，随着磷含量的增加硅酸盐网络变得越来越紧密，矿化性能反而减弱［25］。因此就对于矿化性能的影响而言，磷含量的增加导致两个相反的作用，需要进一步实验进行探索。

3.4 氟元素氟化物已被公认为可以预防龋齿，以适当的剂量给药可有效促进骨形成并预防与骨质疏松症有关的骨折。Gentleman等人通过熔融法制备生物玻璃，并在其中掺入氟元素，经体外细胞培养实验及定量实验发现，高氟生物活性玻璃组的碱性磷酸酶活性明显高于低氟组，并且矿化形成了高密度骨结节［26］。表明将氟元素掺入生物活性玻璃可增强其矿化性能。

此外，许多学者做了其他改变生物活性玻璃成分来提高其矿化性能的努力。如刘璐在生物活性玻璃陶瓷中掺入锂元素，发现能明显促进成血管相关基因的表达，利于组织修复过程中增加血运，提高矿化性能［27］。李步云发现将氯元素加入生物活性玻璃中可增加成骨细胞活力，加快支架的降解速率，增强矿化性能［28］。林荣才在生物活性玻璃中加入铜，能促进软骨细胞的增殖，调控免疫微环境［29］。可见通过改变生物活性玻璃材料的成分来增强其矿化性能，可取得显著效果，但仍需深入研究。

4.制作复合支架对生物活性玻璃矿化性能的影响

生物活性玻璃的另一应用方式是加入到其他的生物支架材料中制作复合支架来改变其矿化性能。

4.1 聚乳酸生物活性玻璃复合支架马丽娟等人选择水这一安全稳定且环境友好的材料为制孔剂，用冷冻干燥法制作成聚乳酸-生物活性玻璃复合支架。在扫描电镜下可见，复合支架的表面结构呈截断样形态，其间有不均一的孔隙相联通。在体外矿化实验观察到材料表面被绒毛状的羟基磷灰石晶体完全覆盖，呈连续有规律但并不均匀的分布，且随着实验不断地进行，晶体更加紧致，含量进一步增多。表明该复合支架有令人满意的矿化性能［30］。后期该组人员又以1，4-二氧六环与二氯甲烷作为致孔剂，采用相同工艺制成聚乳酸-生物活性玻璃复合支架，进行细胞相容性试验证明支架材料安全性高，无细胞毒性［31］。

4.2 生物活性玻璃/改性明胶复合支架郑佳富采用冷冻干燥法结合逐步交联法制备生物活性玻璃/改性明胶复合水凝胶。实验表明复合水凝胶具有出色的体外矿化性能，且BG含量越高，羟基磷灰石形成能力越强［6］。这是因为高BG含量的支架具有更多的位点来成核并释放出更多的钙离子和磷离子，更有利于羟基磷灰石的形成［32］。

4.3 微纳米生物活性玻璃/聚乳酸羟基乙酸共聚物多级孔复合支架田婷采用冷冻干燥法制备出具有相互通联的多孔结构的微纳米生物活性玻璃/聚乳酸羟基乙酸共聚物复合支架，并采用莰烯作为辅助造孔剂成功制备了多级孔结构。比较不同的配比对此支架矿化性能的影响，微纳米生物活性玻璃（Micro-nano bioactive glass，MNBG）含量为0%的支架组在模拟体液（Simulated body fluid，SBF）中没有磷灰石沉积物产生，加入MNBG的复合支架则有丰富的HCA形成。最终证实MNBG的加入，可显著提升复合支架的矿化性能。而利用莰烯制作出的多级孔结构复合支架不仅孔隙之间相互通联，而且孔壁上也有相当多的小孔，能促进支架与SBF的充分接触，显著提升其羟基磷灰石形成能力，且形成的磷灰石沉积物比多孔支架形成的产物在结构上更接近HCA。细胞学结果显示支架的生物相容性良好，较大的表面积利于小鼠骨髓间充质干细胞的黏附和增殖，同时还可增强成血管标志物（CD31）的表达促进血管生成，增加血供［33］。多级孔结构因与天然骨组织高度相似，在矿化成骨及成血管分化方面更具优势。