生物玻璃

1.4
生物玻璃的发展简介
（1)开始研究：1969年， Hench等人首先发现了Na2O-CaOSiO2-P2O5系统中的一定组成的玻璃能与活体骨形成强的机械结 合。
(2)研究过程： 采用手段：动物实验或模拟实验 动物实验显示：生物玻璃植入动物体内后与其他植入材料（如： 不锈钢，聚甲基丙烯酸甲酯或氧化铝）形成显著对比，它能引 起形成一层薄的，将材料与骨分开的纤维包膜。 X-ray分析显示：其上面形成了一层结晶羟基磷灰石层（HA）。 透射电子显微镜（TEM）显示：骨和植入物结合6周后的界面处， 出现了正常的骨细胞（造骨细胞），造骨细胞产生了与正在生 长的HA层结合的胶原纤维。 在体外含有钙离子和磷酸盐离子的溶液中实验表明：在植入物 表面形成的HA层是由于结晶HA通过玻璃和溶液中离子不均匀成 核和生长，其结合界面的机械强度足够高，以至于当承载时， 骨或玻璃都不会率先断裂，界面也不会衰退。 金刚石切片机分析表明：在超微结构，纳米尺寸级别，HA晶体 同胶原纤维的紧密穿插。
生物玻璃及其复合材料 研究进展
主要内容
1 生物玻璃简介
6 生物玻璃及其复合 材料发展趋势展望
2 生物玻璃的生物活性
3 生物玻璃的制备方法
5 生物玻璃复合材料
4 生物玻璃的应用
1 生物玻璃简介
1.1 生物玻璃的定义
生物活性玻璃是指能够满足或达到特定生物、生理功 能的特种玻璃。
1.2
生物玻璃的特点
生物玻璃是无机生物医用材料中的一个重要分支。 （1）具有良好的生物相容性，没有毒副作用； （2）容易与周围的骨骼形成紧密牢固的化学键合， 或经生物降解形成新的骨骼成分（由于它们的化学组 成与生物体的自然骨骼相似）；
2.3
生物玻璃具有生物活性的原因
生物玻璃的活性在于其在体内能与自然骨、软组 织形成化学键合。 作用机制：在玻璃表面溶出Na+、Ca2+ 、P(Ⅴ)等离子， 玻璃表面形成一富硅的凝胶层，骨细胞在增殖过程中， 骨胶原纤维可以进入凝胶层内。在此附近，由于钙磷 的富集，同时生成HCA，这种晶体在与周围自然骨延伸 过来的新生骨相遇时，形成牢固的化学键，由于表面 的HCA与骨胶原纤维能形成很强的化学键，所以生物玻 璃也能通过这一HCA和骨胶原纤维层与软组织形成牢固 的化学键，从而具有活性。
Tris(hydroxymethyl-aminomethane，三羟甲基氨基甲烷)缓 冲溶液:是由Tris 晶粒溶解于非常稀的盐酸水溶液中制成，最 后调节pH 为7.25，与人体的体液pH 相近。分子式为 H2HC(CH20H)3 ,它是Hench为了检验Bioglass活性而开发的。由 于其组成过于简单，与人体体液浓度相差较大，目前已基本上 不被使用。 SBF#9 溶液:是pH 为7.25 的缓冲溶液，溶液中各离子浓度与人 体体液中离子浓度很接近(表3)，已被广泛地应用于各种材料 的生物活性实验中。是由日本的小久保正教授等研制而成的。
（3)研制成功：
标志：美国佛罗里达大学Hench 教授等人1971 年开发成功 45S5玻璃。 45S5生物玻璃的组成：Na2O24.5wt%，CaO24.5wt%，P2O56.0wt%， SiO245wt%。 制备思路：他们在普通的Na2O-CaO-SiO2玻璃系统中加入6wt%的 P2O5，使得材料在元素成分上与自然人体骨骼有所接近，这种 材料不仅对人体无害，而且由于P2O5的加入，增加了生物活性。 他们把这种材料叫做“生物玻璃”（Bioglass），从而揭开了 玻璃和玻璃陶瓷材料作为生物体材料的序幕。 优点：对人体无害，与骨组织亲和性也好，而且还能够与周围 的骨骼组织牢固的结合在一起。 应用情况：它的一些产品如牙科所用的ERMI和PerioGLAS粉、中 耳骨、骨骼损伤修补等已进入市场或在临床应用中。 缺点：力学性能不够理想。不能直接应用于人体的承受载荷的 部位，而主要用于骨填充材料和生物涂层。
2.4
生物玻璃生物活性的研究方法
原因:理想的生物材料必须具有良好的生物活性和生物 相容性，能被有机体接受，植入后无不良反应，因此 需要研究其生物活性. 采用方法:模拟人体实验→动物实验→人体临床实验 模拟人体实验和动物实验必须达到足够的数量,积累 大量的生物性能数据，然后才能进行人体临床实验。 生物玻璃生物活性的研究方法:通常采用InVitro 实验、 In Vivo 实验和细胞培养实验。 (1)生物玻璃的模拟人体溶液实验 生物玻璃的模拟人体溶液实验的常用溶液:Tris 缓冲溶 液和SBF#9 溶液。
（3）生物玻璃的力学性能较差，限制其应用。
1.3 生物玻璃目前的地位
（1）生物玻璃材料的研究与临床应用己成为材料学、医学以及 生物化学等学科的热点，愈来愈受到人们的重视； （2）特别是一些高强度、可切削生物微晶玻璃的开发和内辐射 医用玻璃微球、玻璃基骨水泥和药物载体以及具有铁磁发热等 功能性的生物玻璃材料的开发成功，更是给人类医疗健康带来 了又一突破性的进展。 广泛开展玻璃基生物材料的研究具有重要的理论和应用意义。
(6)发展
(A)Ceravital微晶玻璃:1973年，西德的Bromer等人 通过大幅度减少碱金属氧化物的含量，即减少钾、钠 含量，增加钙、磷含量并应用玻璃的微晶技术，成功 制备了Na2O-K2O-MgO-CaO-P2O5-SiO2系统的微晶 生物玻璃，称为Ceravital微晶玻璃，又称赛拉维托玻 璃。 基本成分：Na2Owt4.8%，K2Owt0.4%， MgOwt2.9%，CaO34.0wt%，P2O5wt11.7%， SiO2wt46.2%。 特点：生物活性低于45S5玻璃，但其机械性能却有了 较大的提高，可以应用于受力不明显的骨缺损的填充， 如颌骨的修补，也可作为骨水泥材料应用于临床上。
(B)A-W微晶玻璃:1982年，日本京都大学的小久宝正 等研制成功； 组成：含38wt%左右的磷灰石和34wt%左右硅灰石。 优点：(a)因不含碱金属氧化物，所以它的机械性能较 好，是当前力学性能最好的医用微晶玻璃材料，各项 力学性能均接近人骨，此外，它与骨骼组织的结合强 度也较高。 (b)由于β —硅灰石以针状形式析出，起到增强作用， 使其具有很高的机械强度，抗弯强度可达157±8MPa， 抗压强度可达1060±60MPa，高于自然骨的强度，是目ห้องสมุดไป่ตู้前发现的唯一一种植入人体内后，其断裂不发生在界 面而是发生在骨内部的生物材料。据在模拟体液中进 行的实验表明，这种材料即使在体内连续不断地承受 65 MPa的弯曲应力，也可维持10年以上不致损坏。
五步系列表面反应：
Hench在对生物玻璃的大量溶液实验积累了大量数据后，总结 出生物玻璃在人体溶液中发生五步表面反应。 (A)玻璃中Na+和K+离子等与溶液中H+以及H3O+迅速交换， Si-O-Na++H++OH-→Si-OH++ Na++ OH(B)Si-O-Si键被溶解打断，在界面处形成许多Si-OH； (C)Si-OH的聚合反应在玻璃表面形成一富SiO2的、多孔胶体层 Si-OH+OH-Si→Si-O-Si+H2O (D)Ca2+和PO43-或来源于玻璃体内或来源于溶液中，在富SiO2胶 体层上聚集形成CaO-P2O5无定形相层； (E)随着OH-和CO32-从溶液中引进，CaO-P2O5无定形相层将转变 成含碳的羟基磷灰石（HCA）多晶体。
(c)这种微晶玻璃中析出的针状硅灰石晶体呈无规则排列， 机械加工性能也很好。 应用:目前，A-W微晶玻璃已用作人工脊椎、人工脊椎间 板、长管骨、长骨固定物、骨修补材料和骨髓插栓等。 仅在日本，至2001年为止，A-W(A-W生物活性玻璃陶瓷 的商用制品)作为人工脊椎骨、椎间盘、骼骨冠及空隙 填充物等人工骨替代和修复材料就已经达到了6万多例 成功的临床应用。 (C)BGC人工骨:小久宝正在A-W微晶玻璃中添加少量 Al2O3、B2O3研制成。
(H)多种普通的硅酸盐玻璃: S.F.Hulbert等人对多种普通的硅酸盐玻璃 进行了动物实验。他们把玻璃材料植入鼠 皮下，经过一段时间的观察和与实验，结 果表明，所有的玻璃都对鼠无危害作用， 甚至含有氧化铅，氧化钡等重金属元素的 氧化物时，同样安全。
2 生物玻璃的生物活性
2.1 生物玻璃活性的定义
(F)可铸造玻璃陶瓷：为了修复缺损的牙齿，恢复 其形态和功能，孙祥云还开发研制出一系列可 铸造玻璃陶瓷，这种材料类似天然牙齿牙釉质， 在口腔中性能稳定，生物相容性好，可逼真再 现牙齿形态。 (G)新型结晶化玻璃：最近，小久宝等研制出的， 其中含有大量Fe2+、Fe3+离子，热处理后，得 到以CaO-SiO2-B2O3-P2O5系玻璃相和硅灰石 为模的结晶玻璃，其中分散着强磁性的Fe3O4 粒子，在生理环境中，这些粒子表面能形成磷 灰石层，而且也可与骨质结合。
（5)成骨细胞在生物活性玻璃表面快速增殖 与分化的机理： 是两种机制协同作用的结果: (A)一方面生物玻璃溶解导致局部硅离子浓度 升高，从而促进成骨细胞新陈代谢的细胞内 部响应； (B)另一方面，各种纤维，随着Ca2+及P(Ⅴ) 从玻璃中溶出，并在骨胶原纤维周围以羟基 磷灰石晶体的形态析出，生物活性玻璃与活 骨二者就能自然地结合在一起了。
(D)可加工生物玻璃陶瓷（ Bioverit 微晶玻璃）：为满足 临床使用的需要，生物材料必须被加工成一定形状， 这要求生物材料具有良好的可加工性。 成 功 ： 1 9 8 3 年 ， Holland 等 研 制 成 功 了 商 品 名 为 Bioverit的可切削生物微晶玻璃。 组成：其主晶相是磷灰石和金云母晶体（（Na,K） Mg2(AlSiO10)F2）， 可 由 SiO2-Al2O3-MgO-Na2O-K2OF-CaO-P2O5系统的磷硅酸盐玻璃，经过一定的热处理 工艺后得到。 特点：由于金云母晶体是生物惰性的，只有当与磷灰 石晶体同时析出时才能显示出生物活性，因此，如何 使金云母晶体和磷灰石晶体以适当的比例析出是至关 重要的。切削加工过程中有可能使微晶玻璃产生微裂 纹，这在一定程度上限制了该材料在临床上的应用。
(4)生物玻璃与自然骨的结合机理
Na2O-CaO-SiO2-P2O5 系统内有些组分的玻璃(如 商品名为45S5 的玻璃)植入生物体内后能够与自然 骨牢固地结合在一起，在体液环境中，从其表面溶 出Na+，玻璃表面就生成富SiO2 凝胶层。生物玻璃 溶解形成表面带负电荷的Si－OH，与不同种类的蛋 白质通过氢键和离子胺键(－Si－O－ H3N + －)结 合形成高密度的蛋白吸附， 硅溶胶层和在其表面形 成的碳酸羟基磷灰石(Ca10(PO4,CO3)6(OH)2 ， hydroxyl-carbonate-apatite，HCA)层具有高表 面积，适合吸附大量的生物分子，从而促进细胞外 响应。相比于带较低负电荷量的硅溶胶层，HCA 层 表面能吸附更多的生物分子。
可加工生物玻璃陶瓷的改进：
黄占杰等：在可加工玻璃陶瓷基础上加入B2O3、Al2O3、P2O5 等成分，成功降低了其熔制温度。 东北大学孙祥云等向可加工玻璃陶瓷中引入硅灰石相及氧化锆 陶瓷粉，提高了其强度；
（E）磷酸盐多孔微晶玻璃
定义：是一种以钠离子型快离子导体（Nasicon晶体）为骨架的多 孔功能材料，兼有多孔材料和功能晶体的性质。 研制成功： 1989年由日本阿部良弘等研制成功。 主要成分： CaTi4(PO4)6（骨架） 应用：在固相催化、温度传感器方面得到广泛的研究。
生物玻璃的生物活性在于，在人体液中，其表面发生一系列反 应，最后在表面形成一层与人体骨骼无机相相似的羟基磷灰石 （HA）而与人体硬或软组织如胶原蛋白和细胞紧密联结的能力。
2.2
生物活性度
生物活性不同的生物活性材料，其键合机理及键合速度差异显 著，这主要归因于材料的活性度不同。 生物活性度的研究有利于拓展生物活性材料在临床上广泛而有 目的的应用。据此，Hench将生物活性材料按其生物活性度的 高低分成两个等级： Ａ级生物活性材料:具有高活性度，不仅能与骨发生键合，而且 能与软组织发生键合的材料； Ｂ级生物活性材料:具有低生物活性度，只能与骨发生键合的材 料。