生物玻璃材料研究进展

生物玻璃材料研究进展
摘要：随着材料科学的发展，生物材料由于具有对机体组织进行修复、替代与再生的特殊功能，已成为当今生物医学工程学中的重要组成部分。

其研究内容涉及材料、医学物理、生物化学和现代高技术等诸多学科领域。

生物活性玻璃是一种具有特殊组成和结构的硅酸盐玻璃材料。

通过熔融法、溶胶-凝胶法等制备的生物活性玻璃，广泛应用于骨骼修复、口腔治疗以及创口愈合等方面。

已成为材料科学、医学以及生物科学等学科的热点，越来越受到人们的重视。

关键词：生物活性玻璃；溶胶-凝胶法；骨骼修复；生物材料
正文
生物材料，包括生物玻璃、生物玻璃陶瓷、生物磷酸钙陶瓷以及生物复合材料、生物涂层等，是一类可对肌体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能的材料。

由于其具有较高的生物活性、生物相容性和化学稳定性，近几十年来的研究十分活跃。

生物活性玻璃(bioactive glass，BG) 是一种具有特殊组成和结构的硅酸盐玻璃材料，由美国佛罗里达大学Hench教授在1969年研发出来的。

具有与骨组织形成化学性结合能力，与骨组织和软组织均有良好的结合能力，在植入体内后生物活性玻璃表面即与体液发生离子反应，最终在玻璃表面形成类似骨中无机矿物的低结晶度碳酸羟基磷灰石层(HCA)，因化学组成与生物体的骨骼相似，容易与周围的骨骼形成牢固的化学键合即骨性结合，具有优良的骨诱导性、骨传导性及生物相容性，已成为材料科学、医学以及生物科学等学科的热点，越来越受到人们的重视，特别是生物活性玻璃复合材料的研发成功，更是给人类健康带来了又一突破性进展。

1 生物活性玻璃的制备方法
1.1 熔融法
熔融法是制备生物玻璃最常用的办法之一，采用该方法制备的生物玻璃密实无孔、比表面积小。

熔融法的一般制备工艺是将原料混合均匀后，在千摄氏度以上的高温下熔融成玻璃液，保温一段时间后淬冷，得到成品。

熔融法制备工艺简单、易于大规模生产，但是通过熔融法制得的生物玻璃，其组成范围和生物活性都受到一定的局限，因为高温容易使配料中的磷等元素挥发、使其成分的控制难以精确，而且玻璃的高温熔制容易导致Si-OH 官能团的减少，且得到的生物材料中Ca2+的溶解性能相对较低，这些因素都会降低材料
的生物活性。

另外制备反应温度也比较高，能耗较大。

1.2 溶胶-凝胶法
近年来，溶胶-凝胶技术已成为制备新材料的重要方法。

不同于传统的熔融法制备的生物活性玻璃，溶胶-凝胶生物活性玻璃(sol-gel derived bioactive glasses，SGBG)是由大量的粒径为几十纳米的微球组成，微球堆积间隙形成均匀分布的微孔，孔径分布在几纳米到几十纳米。

虽然溶胶-凝胶工艺过程若干机制尚未清楚，但典型的溶胶-凝胶反应通常包括两个步骤：（1）烷氧基金属有机化合物水解成羟基化合物；（2）羟基化合物缩合及缩聚过程。

工艺流程包括：溶胶的制备、溶胶-凝胶转化、凝胶干燥等步骤。

缩聚过程可形成二氧化硅(SiO2)无机网络，水和醇的挥发造成网络的多孔性，使其具有较大的比表面积。

高的比表面积和均匀分布的微孔有利于提高材料的化学反应活性和降解速度，形成较多的羟磷灰石矿物的成核位以及改善材料的组织细胞亲和性，促进有利于新骨生长的各种胶原、蛋白物质及骨细胞的附着。

2 生物玻璃的活性
生物活性玻璃植入人体体内后会与体液反应。

在生物玻璃表面生成羟基磷灰石结构层，这是生物玻璃具有活性的重要原因。

经过一段时间的反应，碳酸羟基磷灰石晶相支架层形成，它具有较大的表面积且表面带有负电荷，适合吸附大量的生物分子，因此羟基磷灰石晶相层成为新组织生长的基床。

细胞在生物活性玻璃表面快速增殖与分化，最终与周同组织相融合。

3 生物活性玻璃的应用
3.1在骨骼修复中的应用
生物活性玻璃作为骨替代材料具有以下优点：（1）骨形成迅速，除骨引导作用以外，在颗粒内部及其周围也可见骨生成。

（2）颗粒大小均匀，由于颗粒之间空隙和材料表面的大量微孔存在，为血管和组织的长人和紧密结合提供了良好条件。

（3）操作性能良好，生物相容性好，有黏附性和局部止血作用。

（4）X线阻射，便于术后检查。

（5）具有降解性，颗粒可被吸收，最终形成骨样结构。

植入体内的BG的降解有以下几个机制：（1）物理降解，包括由磨损、折断、断裂等物理作用造成的材料结构的破坏和质量的损耗；（2）化学降解，主要是材料的水解、晶体结构的破坏和小分子降解颗粒的形成与扩散：（3）生物降解，就是巨噬细胞和多核
吞噬细胞等白细胞的参与下将化学降解得到的小颗粒进一步分解、消化，并将其运送至周围组织进入循环系统的过程。

三种降解过程使得BG颗粒在生物组织中被逐步降解和吸收，其降解速率与其促进骨修复的速度相适应，在促进新骨形成的同时，本身亦随降解而从体内消失，并为新生组织所代替。

3.2在药物载体方面的应用
药物治疗载体是生物玻璃最有前景的应用之一。

各类药物储存在多孔的生物玻璃中，植入人体的关键部位，随着生物玻璃表面反应的进行，药物释放，达到有的放矢的治病目的，与传统的注射方法相比，有均匀、长时间治疗等众多的优点，有最大效率的疗效。

3.3在癌症治疗方面的应用
生物玻璃被埋入肿瘤附近、对癌细胞进行直接放射或热处理、只杀死癌细胞而又不损伤正常组织。

注入磷离子或钇等放射性元素后的生物玻璃，经中子照射下，产生β射线以达到长期治疗的目的。

Luderer 等在Al2O3-SiO2-P2O5玻璃基质中掺加铁酸锂，使其成为铁磁玻璃陶瓷，并作为热种子用于癌症的热疗。

在CaO-SiO2为基质的玻璃陶瓷中掺加Fe3O4，用其形成的生物活性铁磁陶瓷对癌细胞进行热疗，发现其对骨癌细胞有效
4 生物活性玻璃的发展
但是目前有关生物活性玻璃的临床应用还不够广泛，不能完全满足实际应用的要求，对其研究不够彻底。

主要有以下几点：（1）生物活性玻璃含有的硅成分在体内不能完全降解并且其代谢机理尚不清楚，最终不能完全转化成人体骨组织成分；（2）生物活性玻璃的机械强度低，脆性大，尤其是其抗弯强度差，严重限制了其应用范围；（3）生物活性玻璃对细胞的调节机制尚不完全明确。

生物活性玻璃作为理想的人工医学材料已得到广泛研究和临床应用，越来越显示出惰性生物材料所不能比拟的优势。

生物玻璃今后的主要研究方向：（1）生物活性玻璃需要高温结烧成型，这样有些材料的活性不免会受到影响而大大降低，因此在制备工艺上需寻求低温合成路线，如溶胶-凝胶法、液相反应等技术；（2）生物活性玻璃像普通玻璃一样存在力学弱点，即脆性大，因而限制了其应用范围，增强、增韧将是今后一个重要的研究方向；（3）可降解生物微晶玻璃、调控降解速度并激活成骨细胞基因的生物玻璃、仿人工骨和齿的生物玻璃的复合材料、高强度加工的微晶玻璃、酶载体微孔玻璃、
生物芯片玻璃等材料将成为重点研究对象。

随着材料科学与生命科学的发展，仿生技术、纳米技术、复合技术必将广泛应用于人体植入材料的研究。

生物活性玻璃材料，由于其可以对肌体组织进行修复、替代与再生，而且具有较高的生物活性、生物相容性和化学稳定性，必将在医疗技术、仿生科学中得到更多的应用。

参考文献
[1] Cao Wanpeng，Larry L Hench．Bioactive materialsr, [J]．Ceram Int ，1996, (22)：493
[2]李霞．溶胶-凝胶法CaO-P2O5-SiO2系生物玻璃的制备及机理探讨[J] ．玻璃与搪瓷，2003。

31(3)：37
[3]唐倩．溶胶-凝胶法制备的生物活性玻璃的研究进展[J]．国际口腔医学杂志，2006，33(4) ：275
[4] 鞠银燕，陈晓峰，王迎军．生物活性玻璃多孔材料的制备及性能研究．硅酸盐通报，2005，3：9-13．
[5] 赵慧，李宇军，卢伟，等．生物玻璃．羟基磷灰石陶瓷人工骨充填颌骨骨腔的应用[J]．佳木斯医学院报，1996，19(5)：21—22．
[6] 徐更生，王德平．A／W生物微晶玻璃材料的研究进展[J].材料导报，2004，18( 10) ：25
[7] 杨为中．溶胶-凝胶法制备AW生物活性玻璃陶瓷的研究[D]．成都：四川大学，2003
[8] 陈晓峰，李玉莉，赵娜如．溶胶-凝胶生物活性玻璃的纳米结构分析研究[J]．硅酸盐通报，2007，26(2)：247-251．
[9] Gil-Albarova J，Salinas AJ，Bueno-Lozano AL，et a1．Biomaterials．2005，26(21)：4374—4382
[10] 陈晓峰．溶胶-凝胶生物活性材料的研制及其生物矿化性能研究[D] ．广州：华南理工大学，2003
[11] 张梅梅，陈晓峰，王迎军．CaO- P2O5—SiO2系统溶胶-凝胶生物活性多孔材料的降解特性及生物活性研究[J]．玻璃与搪瓷。

2003，31 ( 3) ：15
[12]宁佳，王德佳，黄文品．硼硅酸盐生物玻璃的制备及其体外生物活性和降解性[J ]．硅酸
盐学报，2006，34( 11)：1326
[13] 陈伟民,陈楷.ZrO2 在微晶玻璃中的增韧作用.材料科学与工程[J],
1998,16(3) :73~76.
[14] Yilmaz S，Efeoglu E，Kilie AR．J Clin Periodontol，1998，25(10)：832-839．
[15] 杨宇霞．CaO-P2O5-SiO2系统生物活性纳米材料的制备及其生物性能研究[ D]．广州：华南理工大学，2004
[16]张学广．生物活性玻璃微粒治疗口腔溃疡疗效初步观察[J]．临床口腔医学杂志，2000，16(4)：238-239．
2012.05。