生物活性玻璃的应用及前景

来源:用户上传      作者: 梁 杰

　　[关键词]生物活性玻璃;应用;前景
　　
　　随着社会的进步、技术的发展和人口老龄化的加剧,全球对生物医学材料及其制品的需求逐年增加,器官的人工化成为当今医学科学的尖端技术之一,其潜在的核心是医用生物材料的研发。1969年美国Florida的Hench教授等发现一定组成的生物活性玻璃植入体内后其表面不形成纤维包裹层,而是与骨组织形成紧密的结合,其结合面的强度甚至高于骨和材料本身,在此基础上研制出了45S5生物玻璃并提出了生物活性的概念。
　　生物活性医用玻璃一般为CaO-SiO2-P2O5系统,部分含有MgO、丸O、Na2O、A12O3、B2O3、TIO:等。玻璃网络中非桥氧所联结的碱金属和碱土金属离子在水相介质存在时,易溶解释放出一价或二价金属离子,使生物活性玻璃表面具有良好的溶解性,这就是生物活性玻璃具有生物活性的基本原因。非桥氧键所占比例越大,玻璃的生物活性也就越高。
　　
　　一、生物活性玻璃的应用
　　
　　(一)对生物活性材料在体内与骨组织结合面的研究发现,材料在体内环境中表面会形成一层类骨羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)层,骨组织通过HA层与材料进行结合。在力学实验中,断裂不是发生在骨的一侧就是发生在材料一侧,界面结合处却完好无损,表明HA层与骨结合密切,材料在体液环境中沉积HA层的能力成为评判材料活性的一个重要依据。以Ca-Si为基础的生物玻璃,在体液环境中,其表面形成一层富硅层,诱导HA的沉积,从而显示出生物活性。与磷酸钙生物材料相比,生物活性玻璃的组分范围要广,各种对人体无害和能促进骨组织生长的离子都可以添加到生物活性玻璃中以改善其性能。由于生物活性玻璃优良的生物活性和可调节的化学组成,其性能如活性、降解性和力学性能都可以人为调节和控制,使生物活性玻璃成为骨组织修复材料的一个研究热点。
　　(二)生物活性玻璃可做成局部的物药制剂施用于创伤,例如以悬浮液,洗剂,霜剂,药膏或凝胶的形式。除生物活性玻璃之外,制剂中还能包含其他治疗物质,例如抗生素,抗病毒素,愈合促进物质,抗炎物质等。在一个实施方案中,治疗物质是一种如若不然在其释放位点上会引起炎症的物质,而生物活性玻璃微粒减轻相关的炎症。许多其他化合物当经由肺给药,即经由一个吸入器施用时,会导致发炎。不用任何载体或赋形剂而将生物活性玻璃直接放在一个创伤面中或一个灼伤上是可行的。优选在用于局部施用的任何医药可接受的载体中单独混合生物活性玻璃或与一种或多种其他治疗物质组合的生物活性玻璃,例如悬浮液、油膏霜剂或凝胶,从而有利于施用到创伤。
　　
　　二、现阶段存在的问题及解决措施
　　
　　生物活性玻璃具有金属材料及有机材料无法比拟的优点,如生物相容性好,无毒副作用,可与骨骼形成骨性键合,并且耐化学腐蚀等,但是它同样存在着致命的不足,与人体骨相比生物活性玻璃脆性大,尤其是抗弯强度不足,严重限制了该类材料的使用范围。目前生物活性玻璃还主要用于骨损伤修复及骨料填充等非承载部位,如何弥补其不足,更好地开发利用该类材料便成为各国材料工作者研究的重点。
　　(一)调节玻璃组分。生物活性玻璃化学组分多,组成复杂,因而通过适当调整玻璃组成,可获得特定的结构,从而显著改善玻璃的性质,但在调整生物活性玻璃组分时要注意以保证其生物活性为前提。
　　(二) 改进制备工艺。传统制备生物活性玻璃的方法为高温熔融法,在玻璃制备过程中通过调节气氛、熔制温度、退火温度、保温时间等可使玻璃产生特定的结构,并使其在热处理过程中晶化。在晶化过程中通过控制晶体种类、晶体颗粒大小以及含量等因素来改善玻璃的一系列性质,如适当调整制备工艺、细化晶粒来提高生物活性玻璃的断裂韧性。近期发展起来的Sol-gel法与传统的高温熔融法相比具有以下优势:在Sol-gel法制备过程中,原料组分可在分子水平上均匀混合,所得制品具有均匀性高、纯度高等优点,且制备过程中热处理温度低。近年来人们还发现利用Sol-gel法可扩大生 物活性玻璃的组分范围,制备出的材料比表面积大,残余轻基多,能与生物机体内的蛋白质氨基酸以低能途径形成肤键,更快更多地实现骨键合,因此Sol-gel法是制备生物活性玻璃一条新途径。
　　(三)制备复合材料。通过不同材料的复合,利用不同材料性能的互补可以达到增强材料的目的。材料复合的方法有很多种,可以按与生物玻璃复合的材料性质分类,也可按复合的方法分类。研究者在生物材料的组成、制备工艺等方面作出了很多工作并取得了一系列进展,但都没有从根本上解决材料抗弯强度不高的问题。近年来通过不同种材料复合来达到增韧补强的目的已成为国内外研究的趋势。
　　
　　三、生物活性玻璃未来的发展方向
　　
　　Hench等在1998年对生物玻璃未来发展的展望中谈到:在下一个千年(也就是21世纪),生物材料的重点应该是制备具有和种植部位自体组织功能一致的材料。对目前几种比较常见的骨修复材料58S、45S5、HA、磷酸钙陶瓷、生物惰性硼硅酸盐玻璃、氧化锆陶瓷等进行比较,溶胶凝胶法制备的玻璃58S显示出了独特的优势,生物活性高,生物相容性好,在成骨细胞培养过程中,58S显示出最快最紧密的细胞贴附,同时对细胞的增殖具有最大的促进作用。现代溶胶凝胶技术可从纳米到毫米尺度上对材料进行设计,从分子水平上控制材料的结构也成为可能。通过调整溶胶凝胶法工艺参数和生物活性玻璃的化学组成,可以控制玻璃的生物活性、降解速度、力学强度等性能。而现代先进的生物学技术、基因工程、细胞和组织工程、影像技术、定量的原位诊断技术等可为生物材料的设计提供指导和依据。因此,对生物活性玻璃的下一步研究主要有两个方面:从生物学方面,应该从分子水平上研究细胞与生物活性玻璃及其释放的离子之间的生物因果关系,为从分子水平上设计材料提供依据;从材料方面,研究工艺条件和玻璃组成对生物活性玻璃的力学性能、生物活性、降解性和离子释放等的影响作用,根据需要计材料,使制备的材料与植入部位组织的功能接近。
　　
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　　 (编辑/穆杨)

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