硅在生物材料领域的应用：增加材料生物活性不影响其机械性能汇总

中国组织工程研究 第21卷 第2期 2017–01–18出版

Chinese Journal of Tissue Engineering Research January 18, 2017 Vol.21, No.2

P .O. Box 10002, Shenyang 110180

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·综述·

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章筛林，男，1977年生，汉族，2013年苏州大学毕业，博士，主治医师，主要从事脊柱外科、关节外

科、创伤骨科的研究。

通讯作者：纪斌，主任医

师，硕士生导师，上海中医药大学附属普陀医院骨科，上海市 200062

中图分类号:R318 文献标识码:A

文章编号:2095-4344 (2017)02-00296-07

稿件接受：2016-10-19

Zhang Shai-lin, M.D., Attending physician, Department of Orthopaedics, Affiliated Putuo Hospital of Shanghai University of Traditional Chinese

Medicine, Shanghai 200062, China

Corresponding author: Ji Bin, Chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopaedics, Affiliated Putuo Hospital of Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200062, China

硅在生物材料领域的应用：增加材料生物活性不影响其机械性能

章筛林，成翔宇，纪 斌(上海中医药大学附属普陀医院骨科，上海市 200062) 引用本文：章筛林，成翔宇，纪斌. 硅在生物材料领域的应用：增加材料生物活性不影响其机械性能[J].中国组织工程研究，2017，

21(2):296-302.

DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.02.024 ORCID: 0000-0003-4532-6779(章筛林)

文章快速阅读：

文题释义：

45S5生物活性玻璃：由Hench 教授在1971年研制出的一种Na-Ca-Si 系玻璃，该种玻璃植入人体后，能与生物环境发生一系列特殊的表面反应，使材料与自然组织形成牢固的化学键结合而具有生物活性。一般

Bioglass 代指组成为45S5的生物活性玻璃。45S5生物活性玻璃的组成(质量分数)：Na 2O 24.5%， CaO 24.5%，P 2O 5 6.0%，SiO 2 45%。45S 是指45%质量分数的SiO 2，5表示Ca 和P 的摩尔比为5∶1。 硅酸盐：指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的总称。它在地壳中分布极广，是构成多数岩石(如花岗岩)和土壤的主要成分。

摘要

背景：硅在骨骼发育中具有重要作用，生物活性硅酸盐玻璃是当今生物活性材料研究的热点。利用硅的生物学作用，已研制出各种不同的生物材料。

目的：探讨硅的生物学功能和含硅生物材料的研究进展。

方法：检索中国期刊全文数据库、PubMed 、SpringerLink 、Elsevier ScienceDirect 数据库，查找关于硅的生物学作用和在生物材料领域应用的相关文献，对资料进行筛选，排除重复研究和关联性较小的文献，保留与硅在生物材料领域应用关联性较大的文献。

结果与结论：共纳入68篇符合标准的英文文献。经分析得出：骨骼中的硅具有重要的化学和生物学作用。细胞外基质中的硅可在糖胺聚糖和蛋白聚糖合成过程中与它们相互作用，并在羟基磷灰石晶体的晶格结构中形成离子取代。此外，生物活性玻璃溶解产物(主要是硅酸)对体外成骨细胞分子生物学有显著影响，可调节多种基因，包括重要的成骨细胞标志物、细胞周期调控因子和细胞外基质蛋白的基因表达。硅已被证实能够增加各种材料的生物活性，且不影响他们的机械性能或诱导细胞毒性。 关键词：

生物材料；材料相容性；硅；羟基磷灰石；生物活性玻璃；硅酸盐；多孔硅 主题词：

硅；羟基磷灰石；硅酸盐；组织工程 基金资助：

上海市普陀区卫生系统自主创新项目(2013PTKW015)

Application of silicon in biomaterials: an increase in bioactivity but with no change in mechanical performance

Zhang Shai-lin, Cheng Xiang-yu, Ji Bin (Department of Orthopaedics, Affiliated Putuo Hospital of Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200062, China)

ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH

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Abstract

BACKGROUND: Silicon plays an essential role in bone development and bioactive silicate glasses pioneered the

current era of bioactive materials. Various biomaterials have been developed based on the biological function of silicon. OBJECTIVE: To explore the biological function of silicon and research process of silicon in biomaterials.

METHODS: A computer-based retrieval of CNKI, PubMed, SpringerLink and Elsevier ScienceDirect databases was

performed to search the relevant literatures concerning the biological function of silicon and its application in biomaterials. All data were primarily screened to exclude repeated and irrelevant articles. Literatures about the application of silicon in biomaterials were included.

RESULTS AND CONCLUSION: A total of 68 eligible English articles are enrolled. Silicon plays important chemical and biological roles in bone. Silicon in the extracellular matrix interacts with glycosaminoglycans and proteoglycans during their synthesis and form ionic substitutions in the crystal lattice structure of hydroxyapatite. In addition, the dissolution products of bioactive glass (mainly silicic acid) expose significant influence on the molecular biology of osteoblasts in vitro, and can regulate the expressions of several genes including osteoblastic markers, cell cycle regulators and

extracellular matrix proteins. Silicon has been proved to improve the bioactivity of numerous materials and do no harm to their mechanical properties and without cytotoxicity.

Subject headings: Silicon; Hydroxyapatite; Silicates; Tissue Engineering

Funding: the Self-Innovation Project of Health System in Shanghai Putuo District, No. 2013PTKW015

Cite this article: Zhang SL, Cheng XY, Ji B. Application of silicon in biomaterials: an increase in bioactivity but with no change in mechanical performance. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(2):296-302.

0 引言 Introduction

硅在自然界分布广泛，在地球表面的含量仅次于氧，占地壳重量的1/4以上。硅在地质中含量丰富，但生物体中的硅含量却很少，在高等动物体内只是一种微量元素。硅在自然界中以各种化合态存在，常以硅酸盐或二氧化硅的形式存在。以往的研究证明骨骼中的硅具有重要的生物学功能，研究人员利用硅的生物学功能，已研制出各种不同的生物材料。文章对生物材料领域受到越来越多关注的硅基分子、化合物和复合材料的相关知识进行了综述。硅在医疗领域的应用越来越广泛，本文重点讨论了其在骨科的应用。

1 资料和方法 Data and methods

1.1 资料来源 由第一作者用计算机检索中国期刊全文数据库、PubMed 、SpringerLink 、Elsevier ScienceDirect 数据库，检索时间1970至2015年，检索词分别为“硅、生物材料、羟基磷灰石、生物活性玻璃、硅酸盐、多孔硅”和“Silicon ，Biomaterial ，Hydroxyapatite ，Bioactive glass ，Silicate ，Porous silicon ”，语言分别设定为中文和英文。

1.2 纳入与排除标准 纳入内容与硅的生物学作用和在生物材料领域的应用相关文献；排除重复研究和关联性较小的文献。文献检索流程图见图1。

2 结果 Results

2.1 硅在骨骼生物学中的作用 Carlisle

[1-2]

和Schwarz

[3]

发现，硅是正常生长发育的必须元素，饮食中缺少硅可导致异常的骨和软骨形成。Carlisle 证明了用添加硅的食物(含有28 mg/L 硅的硅酸钠)喂养小鸡可促进骨生长、增加关节软骨的量、增加骨质含水量、骨盐生化改变、氨基己糖和胶原含量

[4-5]

。电子探针分析表明，硅主要集中

于发育中骨的生长部位，如骨骺生长板[6-7]

，此处是成骨

活性最高的部位。

成骨细胞中硅与镁和磷的数量相近[5]

，分布于线粒体和其他细胞内的细胞器[6]

，通过对腹腔内注射硅胶引起肾病的大鼠线粒体进行研究进一步证实了这一点。硅

位于线粒体内，形成密集的直径4.0-5.0 nm 大小的球体，并进一步形成直径15-120 nm 的聚集体[8]

。

体外研究表明，添加浓度为5-50 μmol/L 原硅酸的人成骨细胞Ⅰ型胶原蛋白表达显著增加[9]

，原硅酸浓度为10-20 μmol/L 时，Ⅰ型胶原蛋白合成增加[10]。与缺少

硅的小鸡相比，食物中添加硅可使发育中的小鸡喂养

12 d 后骨胶原蛋白含量增加100%[4]

。