生物活性玻璃的應用及前景

梁 杰

[關鍵詞]生物活性玻璃;應用;前景

隨著社會的進步、技術的發展和人口老齡化的加劇,全球對生物醫學材料及其制品的需求逐年增加,器官的人工化成為當今醫學科學的尖端技術之一,其潛在的核心是醫用生物材料的研發。1969年美國Florida的Hench教授等發現一定組成的生物活性玻璃植入體內后其表面不形成纖維包裹層,而是與骨組織形成緊密的結合,其結合面的強度甚至高于骨和材料本身,在此基礎上研制出了45S5生物玻璃并提出了生物活性的概念。

生物活性醫用玻璃一般為CaO-SiO2-P2O5系統,部分含有MgO、丸O、Na2O、A12O3、B2O3、TIO:等。玻璃網絡中非橋氧所聯結的堿金屬和堿土金屬離子在水相介質存在時,易溶解釋放出一價或二價金屬離子,使生物活性玻璃表面具有良好的溶解性,這就是生物活性玻璃具有生物活性的基本原因。非橋氧鍵所占比例越大,玻璃的生物活性也就越高。

一、生物活性玻璃的應用

(一)對生物活性材料在體內與骨組織結合面的研究發現,材料在體內環境中表面會形成一層類骨羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)層,骨組織通過HA層與材料進行結合。在力學實驗中,斷裂不是發生在骨的一側就是發生在材料一側,界面結合處卻完好無損,表明HA層與骨結合密切,材料在體液環境中沉積HA層的能力成為評判材料活性的一個重要依據。以Ca-Si為基礎的生物玻璃,在體液環境中,其表面形成一層富硅層,誘導HA的沉積,從而顯示出生物活性。與磷酸鈣生物材料相比,生物活性玻璃的組分范圍要廣,各種對人體無害和能促進骨組織生長的離子都可以添加到生物活性玻璃中以改善其性能。由于生物活性玻璃優良的生物活性和可調節的化學組成,其性能如活性、降解性和力學性能都可以人為調節和控制,使生物活性玻璃成為骨組織修復材料的一個研究熱點。

(二)生物活性玻璃可做成局部的物藥制劑施用于創傷,例如以懸浮液,洗劑,霜劑,藥膏或凝膠的形式。除生物活性玻璃之外,制劑中還能包含其他治療物質,例如抗生素,抗病毒素,愈合促進物質,抗炎物質等。在一個實施方案中,治療物質是一種如若不然在其釋放位點上會引起炎癥的物質,而生物活性玻璃微粒減輕相關的炎癥。許多其他化合物當經由肺給藥,即經由一個吸入器施用時,會導致發炎。不用任何載體或賦形劑而將生物活性玻璃直接放在一個創傷面中或一個灼傷上是可行的。優選在用于局部施用的任何醫藥可接受的載體中單獨混合生物活性玻璃或與一種或多種其他治療物質組合的生物活性玻璃,例如懸浮液、油膏霜劑或凝膠,從而有利于施用到創傷。

二、現階段存在的問題及解決措施

生物活性玻璃具有金屬材料及有機材料無法比擬的優點,如生物相容性好,無毒副作用,可與骨骼形成骨性鍵合,并且耐化學腐蝕等,但是它同樣存在著致命的不足,與人體骨相比生物活性玻璃脆性大,尤其是抗彎強度不足,嚴重限制了該類材料的使用范圍。目前生物活性玻璃還主要用于骨損傷修復及骨料填充等非承載部位,如何彌補其不足,更好地開發利用該類材料便成為各國材料工作者研究的重點。

(一)調節玻璃組分。生物活性玻璃化學組分多,組成復雜,因而通過適當調整玻璃組成,可獲得特定的結構,從而顯著改善玻璃的性質,但在調整生物活性玻璃組分時要注意以保證其生物活性為前提。

(二) 改進制備工藝。傳統制備生物活性玻璃的方法為高溫熔融法,在玻璃制備過程中通過調節氣氛、熔制溫度、退火溫度、保溫時間等可使玻璃產生特定的結構,并使其在熱處理過程中晶化。在晶化過程中通過控制晶體種類、晶體顆粒大小以及含量等因素來改善玻璃的一系列性質,如適當調整制備工藝、細化晶粒來提高生物活性玻璃的斷裂韌性。近期發展起來的Sol-gel法與傳統的高溫熔融法相比具有以下優勢:在Sol-gel法制備過程中,原料組分可在分子水平上均勻混合,所得制品具有均勻性高、純度高等優點,且制備過程中熱處理溫度低。近年來人們還發現利用Sol-gel法可擴大生 物活性玻璃的組分范圍,制備出的材料比表面積大,殘余輕基多,能與生物機體內的蛋白質氨基酸以低能途徑形成膚鍵,更快更多地實現骨鍵合,因此Sol-gel法是制備生物活性玻璃一條新途徑。

(三)制備復合材料。通過不同材料的復合,利用不同材料性能的互補可以達到增強材料的目的。材料復合的方法有很多種,可以按與生物玻璃復合的材料性質分類,也可按復合的方法分類。研究者在生物材料的組成、制備工藝等方面作出了很多工作并取得了一系列進展,但都沒有從根本上解決材料抗彎強度不高的問題。近年來通過不同種材料復合來達到增韌補強的目的已成為國內外研究的趨勢。

三、生物活性玻璃未來的發展方向

Hench等在1998年對生物玻璃未來發展的展望中談到:在下一個千年(也就是21世紀),生物材料的重點應該是制備具有和種植部位自體組織功能一致的材料。對目前幾種比較常見的骨修復材料58S、45S5、HA、磷酸鈣陶瓷、生物惰性硼硅酸鹽玻璃、氧化鋯陶瓷等進行比較,溶膠凝膠法制備的玻璃58S顯示出了獨特的優勢,生物活性高,生物相容性好,在成骨細胞培養過程中,58S顯示出最快最緊密的細胞貼附,同時對細胞的增殖具有最大的促進作用。現代溶膠凝膠技術可從納米到毫米尺度上對材料進行設計,從分子水平上控制材料的結構也成為可能。通過調整溶膠凝膠法工藝參數和生物活性玻璃的化學組成,可以控制玻璃的生物活性、降解速度、力學強度等性能。而現代先進的生物學技術、基因工程、細胞和組織工程、影像技術、定量的原位診斷技術等可為生物材料的設計提供指導和依據。因此,對生物活性玻璃的下一步研究主要有兩個方面:從生物學方面,應該從分子水平上研究細胞與生物活性玻璃及其釋放的離子之間的生物因果關系,為從分子水平上設計材料提供依據;從材料方面,研究工藝條件和玻璃組成對生物活性玻璃的力學性能、生物活性、降解性和離子釋放等的影響作用,根據需要計材料,使制備的材料與植入部位組織的功能接近。

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(編輯/穆楊)