生物玻璃簡介

生物玻璃已成為材料科學、生物化學以及分子生物學的交叉學科，由于生物玻璃具有生物活性等特點，在組織工程支架材料、骨科、牙科、中耳、癌癥治療和藥物載體等方面的應用前景可觀。主要由Si、Na、Ca 以及P 的氧化物組成 。

亨特教授曾把這種生物玻璃做成猴子大腿骨，植入猴子體內(nèi)，經(jīng)過一定時間。后來又從猴子體內(nèi)取出大腿骨進行觀察，發(fā)現(xiàn)再生的骨細胞已經(jīng)長入生物玻璃骨內(nèi)的網(wǎng)狀結構內(nèi)，混成一體。經(jīng)力學實驗證明，這種人造骨比原骨要結實得多。

生物玻璃之所以適用，原因是它的配料成分是仿生的，經(jīng)過配料進行化合反應后，會生成一種新成分叫羥基磷酸鈣Ca5(PO4)3(OH)。這種成分就是人和動物的骨頭的構成成分。

生物玻璃的制法與工業(yè)玻璃類似，在1400℃左右高溫下熔制，均化后澆注到不銹鋼模具中成形 ，退火后即得到其制品。由于生物材料的特殊要求，制備生物玻璃須采用高純試劑作原料，以鉑坩堝為容器，盡可能減少雜質混入。由于生物玻璃化學穩(wěn)定性差，易與環(huán)境中的水分反應，因此在加工、滅菌和保存中，須保持干燥，防止變質。生物玻璃的機械強度低，只能用于承力不大的體位，如耳小骨、指骨等的修復。將生物玻璃涂敷于鈦合金或不銹鋼表面，在臨床上可制作人工牙或關節(jié)。

主要用溶膠凝膠制備，這樣能很好的保留其生物活性 。

1.自增韌?

由適當組成的玻璃通過控制結晶化制成微晶化玻璃,又稱玻璃陶瓷。通過新晶相的析出來提高材料的機械強度。如小久保正的A-W微晶玻璃，通過第二相硅灰石的析出提高了材料的機械強度，而沒有降低材料與骨結合的能力?？汕邢骷庸げＡ沾蓜t是通過向含磷灰石微晶的玻璃中引入能析出氟金云母的成分，大大改善了玻璃陶瓷材料的可切削加工性能。自增韌技術的采用在一定程度提高了玻璃材料的某些力學性能，為實現(xiàn)臨床應用帶來了可能。?

2.顆粒增韌?

利用生物玻璃或陶瓷與其他顆粒相復合的方法提高整體材料的強度,復合方式有多種，可分為：

①與活性生物顆粒相復合，作為增強相與輕基磷灰石相復合。?

②與生物惰性顆粒相復合。選擇具有生物活性的生物玻璃為母材與其他惰性顆粒組成復合材料，從而保存活性提高強度和韌性。

3.纖維增韌?

碳纖維、碳化硅纖維及金屬纖維都被用于生物玻璃陶瓷材料的補強增韌，如將碳纖維切成一定長度的小段，并以水為介質與磷酸鈣充分混合，將得到的漿料球磨混合后真空熱壓燒結，制得的復合材料最終抗彎強度為23.6MPa,拉伸變形率為0.36%，提高了材料的韌性。?

4.層狀復合增韌?

層狀復合增韌的核心是將結構陶瓷中的層狀增韌機理引入生物材料。用生物活性材料(生物玻璃或HA)為基體材料，引入碳素等延性材料作為夾層材料，制備胚體，該胚體在氮氣保護下熱壓燒結，得到基本致密的塊體，其斷口為階梯狀斷裂，表明復合陶瓷整體在達到最大載荷點后失效不是突變的，而是裂紋在石墨層中擴展,并逐步被吸收，呈Z狀擴散，因而避免了脆性斷裂。?

5.生物活性玻璃涂層?

生物玻璃加涂士醫(yī)用金屬等的基底上形成的一種涂層材料，其目的在于利用生物玻璃與骨鍵合的生物活性以及金屬的高強度，構成可承受負載的骨和牙等硬組織替換材料。功能梯度涂層即通過增加過渡性涂層，縮小基體與活性涂層間熱膨脹性能的差異，從而增強兩者之間的結合力，取得了一定的效果 。?

1.生物玻璃在牙科治療中的應用?

生物玻璃自1985年開始應用于臨床修復骨、關節(jié)軟骨、皮膚和血管損傷。人工中耳骨MEP是生物玻璃材料最早產(chǎn)品，它既可與軟組織（耳膜）連接，又可與骨連接，臨床結果顯示較好于其他生物陶瓷和金屬材料。第二代生物玻璃材料?ERMI可用于填補牙根空位，避免牙床萎縮。ERMI與牙床骨連接緊密，較之預防牙床萎縮的其他材料有更好的療效。第三代生物玻璃材料早期產(chǎn)品PerioGlas，主要用于牙周疾病所致骨缺損重建和拔牙后局部填充。長期臨床研究顯示，PerioGlas臨床效果良好，對人體無不良反應。含50%磷酸的生物玻璃可用于治療牙本質過敏和早期釉質齲齒。原因是生物活性玻璃微粒由于與其植入髓室穿孔處與血液及牙槽骨骨組織接觸時，可在瞬間與組織間發(fā)生復雜的離子交換，在生物玻璃表面形成富硅凝膠層，并聚集形成碳酸羥磷灰石層，通過鈣磷層的快速形成并沉積在穿孔區(qū)牙周組織內(nèi)，最終鈣化，形成牙骨質和牙周新附著。Bakry等研究含50%磷酸的生物玻璃，結果顯示其生物相容性良好，是一種安全的生物材料。?

2.生物玻璃在骨骼修復中的應用?

生物玻璃在牙科疾病預防和治療中取得良好臨床效果后，隨即也應用于骨科，其產(chǎn)品有固骼生（NovaBone)。生物玻璃力學強度較差，主要用于非承重部位骨缺損修復。由于生物玻璃表面在人體的生理環(huán)境中可發(fā)生一系列的化學反應，并可直接參與人體骨組織的代謝和修復過程，最終可以在材料表面形成與人體相同的無機礦物成分——碳酸羥基磷灰石)]CO,(2OH)(PO-[CaO-23-6410，并誘導骨組織的生長，所以可用于人體骨缺損的填充和修復。Ameri等報道在青少年特發(fā)性脊柱側凸患者后路脊柱融合矯形術中分別采用生物玻璃和自體髂嵴骨移植，術后平均隨訪34.7個月（最短24個月）發(fā)現(xiàn)，生物玻璃組臨床效果與自體髂嵴骨移植組相同，且可減少自體髂嵴骨移植所帶來的并發(fā)癥。Seddighi等報道在頸椎病前路融合術中采用填充生物玻璃和自體骨的鈦網(wǎng)，平均隨訪14.3個月顯示，其脊柱融合率與僅填充自體骨的鈦網(wǎng)相比基本相同。?

3.生物玻璃在藥物載體方面的應用?

藥物治療載體也是生物玻璃最有前景的應用之一。各種各樣的藥物儲存在多孔的生物玻璃中，然后植入人體的有關關鍵部位,隨著生物玻璃表面反應的進行，藥物將釋放，達到有的放矢的治病目的，與傳統(tǒng)的注射方法相比，有均勻、長時間治療等眾多的優(yōu)點，有最大效率的療效。?

4.生物玻璃在創(chuàng)口愈合中的應用?

生物活性玻璃用于促進傷口的愈合也是當今的一個研究方向。國內(nèi)外的一些專利對此均有涉及。如美國的D.C.格林斯潘等就在其專利中介紹了一種用于加速創(chuàng)傷和燒傷愈合的組織物，其中就包含有活性玻璃。生物活性玻璃的加速促進創(chuàng)口愈合的機理為：當該材料植入人體內(nèi)，在體液的作用下，Na、2Ca等活性大的離子首先溶出，體液中的H進入玻璃表面形成Si-OH，然后由于Si-O-Si鍵破壞，無規(guī)網(wǎng)絡被溶解，可溶性硅以硅醇形式被放出，并且迅速在材料分體表面形成一個羥基磷灰石膠結層?？扇苄怨栌蟹肿铀浇Y締組織的代謝作用和結構作用，生物玻璃溶解后，局部Si濃度的升高可促進細胞新陳代謝的細胞內(nèi)部相應，激發(fā)促創(chuàng)傷愈合因子的自分泌反應，參與創(chuàng)傷修復的所有細胞在促創(chuàng)傷愈合因子的自分泌反應，參與創(chuàng)傷修復的所有細胞在促創(chuàng)傷愈合因子的刺激下加速生長和分裂，并聚集于材料表面形成的羥基磷灰石膠結層，使新生組織能整個創(chuàng)面順利爬移和覆蓋 。

結合溶膠-凝膠技術和靜電紡絲技術制備CaO-P2O5-SiO2三元系統(tǒng)介孔生物玻璃微納米纖維，并以其作為組織工程支架材料的無機基相，用于提高材料的力學強度及生物活性。利用基因重組技術制備載有骨細胞調節(jié)因子Osterix目的基因的質粒DNA，并以殼聚糖作為基因表達載體，制備出包埋有質粒 DNA 的殼聚糖納米微球，作為骨修復材料中的添加相，用以改善材料的細胞學特性。配制由生物玻璃微納米纖維、基因載體微球和PCL等材料構成的乳液體系，利用熱致相分離法制備復合OGP質粒DNA的生物玻璃/PCL仿生骨組織工程支架。研究生物玻璃微納米纖維的微細結構、介孔大小及形貌、分布取向以及質粒微球的粒徑尺寸、工藝條件等因素對材料力學性能、生物活性、降解速率、離子釋放動力學以及基因調控特性的影響規(guī)律及機理。通過上述研究為仿生骨修復材料及支架的設計與制備提供新的思路和理論依據(jù)。

生物玻璃具有較高的生物活性，與骨結合強度較強，在人體生理環(huán)境中可以迅速通過玻璃表面的Na 、Ca2 等元素溶出以及水中H 進入玻璃表面，在玻璃表面形成帶有負電的硅酸凝膠層，進一步在生物玻璃表面形成類骨碳酸羥基磷灰石層（Hydroxyl-Carbonate-Apatite, HCA），增強材料界面的細胞響應，促進成骨細胞或其前體-骨祖細胞的增殖和分化，促進骨生成的作用。近幾年來的研究發(fā)現(xiàn)，生物活性玻璃能夠在基因水平調控細胞反應,刺激骨細胞中某些基因的表達。利用生物玻璃的這些性質，有助于研究開發(fā)出具有刺激、響應、介導骨組織自我修復再生的第三代生物醫(yī)學材料。如果能夠利用最新的生物醫(yī)學材料制備及成型加工工藝技術，結合基因轉染、生物組裝及表面修飾等技術實現(xiàn)精確調控材料與細胞之間的相互作用，有可能為骨修復材料和骨組織工程支架的研究和應用提供新的研究思路和方法。 本項目結合溶膠-凝膠技術和靜電紡絲技術制備CaO-P2O5-SiO2三元系統(tǒng)介孔生物玻璃微納米纖維，并以其作為組織工程支架材料的無機基相，用于提高材料的力學強度及生物活性。利用基因重組技術制備載有骨細胞調節(jié)因子Osterix目的基因的質粒DNA，并以殼聚糖作為基因表達載體，制備出包埋有質粒 DNA 的殼聚糖納米微球，作為骨修復材料中的添加相，用以改善材料的細胞學特性。配制由生物玻璃微納米纖維、基因載體微球和PCL等材料構成的乳液體系，利用熱致相分離法制備復合Osterix質粒DNA的生物玻璃/PCL仿生骨組織工程支架。研究生物玻璃微納米纖維的微細結構、介孔大小及形貌、分布取向以及質粒微球的粒徑尺寸、工藝條件等因素對材料力學性能、生物活性、降解速率、離子釋放動力學以及基因調控特性的影響規(guī)律及機理。通過上述研究為仿生骨修復材料及支架的設計與制備提供新的思路和理論依據(jù)。 本課題主要研究內(nèi)容和結論包括以下幾點： （1）制備出生物相容性好，表面結構及介孔尺寸大小可控的、具有高生物活性的微納米生物玻璃纖維。 （2）建立生物玻璃微納米纖維的離子釋放動力學模型，揭示生物活性材料的微納米結構—物理化學性質—離子釋放動力學-HCA礦化活性之間的關系。 （3）Osterix基因質粒的制備、鑒定及新型質粒轉染體系的建立。 （4）基因介導型復合骨修復體細胞學性能的研究。

Na₂O-CaO-SiO₂-P₂O₅系統(tǒng)內(nèi)有些組分的玻璃(如商品名為45S5 的玻璃)植入生物體內(nèi)后能夠與自然骨牢固地結合在一起，在體液環(huán)境中，從其表面溶出Na ，玻璃表面就生成富SiO₂凝膠層。生物玻璃溶解形成表面帶負電荷的Si－OH，與不同種類的蛋白質通過氫鍵和離子胺鍵(－Si－O－ H₃N －)結合形成高密度的蛋白吸附，硅溶膠層和在其表面形成的碳酸羥基磷灰石(Ca₁₀(PO₄,CO₃)₆(OH)₂，hydroxyl-carbonate-apatite，HCA)層具有高表面積，適合吸附大量的生物分子，從而促進細胞外響應。相比于帶較低負電荷量的硅溶膠層，HCA 層表面能吸附更多的生物分子。