離子摻雜對有序介孔生物玻璃結構及性能的影響綜述

楊笑然，吳振寧，吳志煒，王博文，張垠

(南京工業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210009)

0 引 言

生物玻璃是一類能夠在生物體內發揮特定生理功能的醫療材料。由于其擁有優秀的細胞相容性(促進細胞增殖能力、良好的細胞粘附能力及低毒性)[1]，吸引了大量生物材料領域研究人員的目光。許多研究人員致力于從事生物玻璃開發和應用的研究工作。生物玻璃作為一種有生物活性的無機材料，在模擬細胞外液環境(SBF)中能夠誘導羥基磷灰石(HA)的形成，同時羥基磷灰石也是人體骨組織的無機成分并且與有機界面接觸后能夠誘導骨組織的生成與修復[2-3]。因此在骨組織修復領域有非常巨大的應用前景。

隨著生物活性玻璃研究的不斷深入，生物玻璃的應用被進一步開發。除了硬組織的修復外，研究人員還發現生物玻璃在軟組織修復領域也能發揮重要的作用，特別是新血管生成[4-5]、皮膚組織修復[6-7]及止血凝血領域[8]。先前的研究已經驗證了生物玻璃能夠調節人體內皮生長因子的表達，促進膠原蛋白分泌的作用。通過在制備過程中加入各類金屬鹽，生物玻璃材料的這些生物學性能將得到擴展及強化。為了滿足各類應用領域的需求，使用摻雜不同金屬離子的生物玻璃將會成為未來生物玻璃研究的熱點。

1 生物玻璃的制備方法

第一代的生物玻璃由Larry Hench于1971年發表，他采用熔融衍生法制備了兩種生物玻璃: 45S5[46.1SiO2-26.9CaO-24.4Na2O-2.6P2O5(mol%)]和S53P4 [53SiO2-20CaO-23Na2O-4P2O5(mol%)]。其中S53P4已經被考慮用于骨組織和牙齒的增強劑和修復劑[1-2]。第二代生物玻璃，采取了溶膠-凝膠法制備。通過這種方法得到的生物玻璃，SiO2的含量即使增大到80wt.%依舊擁有良好的生物活性[9]。使用模板劑制備的新一代生物活性玻璃(第三代生物玻璃)，于2004年Yan等人采用了自組裝法(EISA)開發[3]。與傳統的生物玻璃(傳統生物玻璃一般指溶膠凝膠法制備的第二代BG)相比較，新一代的生物玻璃擁有著高度而且有序的介孔結構和更大的比表面積，這對于藥物輸送來說具有相當重要的意義[3-11]。由于其所具備的這些特性，生物玻璃引起了人們廣泛的關注。常江課題組在2006年采用了兩步酸催化法制備出了有序的介孔生物活性玻璃，相比于Yan的方法，常江的兩步酸催化法(TSACSA)有更高的可控性和更細小的粉體[12]。在此之后，常江還得到不采用水熱法也能制備介孔生物玻璃的新方法[13]。而且該方法將有可能實現高效且能批量生產有序介孔生物玻璃。

2 生物玻璃的生物性能

所謂的生物活性，是指能夠誘導特定物質使其具有生物活性(歐洲生物材料協會共識；1987)[14]。而研發出生物玻璃的Hench博士則將其定義為能在表面處引發特定生物反應且與宿主相結合，可以導致物質形成化學鍵的一類生物材料[15]。而我們所使用的介孔玻璃在與生物液體接觸時會在其表面先形成羥基碳酸磷灰石(HCA)，然后進一步礦化為羥基磷灰石與周圍的軟組織或硬組織相結合[2-3]。將介孔玻璃浸泡于生物模擬體液(SBF)中進行體外實驗，其表層形成羥基碳酸磷灰石的時間，數量，是判斷該種介孔玻璃是否具有生物活性的重要指標之一[16-18]。

生物活性玻璃具有骨傳導，促進血管生產的能力，較高的生物活性并且能夠與生物組織有機結合的特點，正因如此，很長一段時間人們對其進行了深入的研究[19]。如：在作為藥物釋放載體方面[11]。高度有序的介孔生物活性玻璃(MBGs)按照前文所述是SiO2-CaO-P2O5的結構體系。根據之前的研究顯示，鈣離子(Ca2+)作為一種凝血輔助因子IV，可以促進Ⅰ(纖維蛋白原)、Ⅱ(凝血酶原)和Ⅲ(組織凝血激酶)型凝血因子的表達[20]。最早開始研究的是Dai等人，他們發現在高度有序的介孔玻璃種摻雜Ag+離子可以使生物玻璃具備止血和抗菌的能力[21]。事實上，鈣離子(Ca2+)在促進成骨細胞增殖和分化方面具有很大的潛力，提供了誘導成骨礦化的ECM(細胞外基質)模板[22]。人們發現將生物玻璃粉末添加到傷口部位，顯著提高了傷口愈合的效率[23]。這正是由于生物玻璃溶解，釋放出了鈣離子，加速了血液的凝固，同時促進了表皮細胞的遷移和增殖[6]，從而也促進了傷口的愈合。其釋放的硅離子(Si4+)，在長時間的研究中證實了這對于刺激膠原蛋白和血管的生成有著非常的作用。經過體外的研究發現，將介孔生物玻璃作用于人體成纖維細胞表面，轉化生長因子β(TGF-β)呈現下調趨勢[7]，而TGF-β信號的傳導涉及到傷口愈合階段。另外，磷離子(P5+)液刺激了骨骼肌Gla蛋白(MGP)的表達[24]。硼酸鹽基生物玻璃中，研究表明硼離子(B3+)具有刺激血管組織生成和促進成纖維細胞中RNA合成的能力[4-5]?？偠灾?，生物活性玻璃既不影響生物體的正?；顒雍突钚杂帜芘c生物體良性結合，在藥物載體，凝血，礦化組織的植入物方面具有很深遠的意義。

3 摻雜離子對生物玻璃性能的影響

許多無機離子在生物體的代謝中都發揮著無可替代的作用。甚至非人體必需的元素已經可以作為藥物提供治療，如鎵離子(Ga3+)已經獲得了美國食品和藥物管理局(FDA)的批準[21]。而摻雜性離子(如：Ga3+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Mg2+)的加入，使得生物玻璃的溶解行為，結晶，形態等物理性能發生改變。除此之外，離子的釋放量和是否能以可控的方式釋放也是我們關心的問題。顯而易見，理解摻雜性離子對生物玻璃的性能的影響對于研發更有應用前景的生物玻璃變得關鍵。

3.1 鎵離子的生物作用及其對生物玻璃性能的影響

鎵元素，是一種人體非必需的元素，而鎵離子(Ga3+)是一種生物學功能的治療離子。例如長期的研究中發現Ga3+離子在治療腫瘤方面表現出優異的療效，并且已經制備出了一些含鎵的藥物[25]。對大

多數細菌例如大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等有抗菌活性[25-26]。Maria Vallet-Regi’s 最早開始對含鎵的介孔生物玻璃的研究。硝酸鎵對于暴露性的開放傷口有很好的止血效果，尤其是當硝酸鎵作用于早期的傷口[21]。而Valappil等人對摻雜鎵離子的最適含量進行研究。通過摻雜不同含量的鎵離子(1-3 mol%)發現，氧化鎵的摻入將會降低硅酸鹽網絡聚合程度，形成更多非橋氧結構，同時降低了有序介孔玻璃的空隙有序性。此外，1%Ga-MBG的結構性能(比表面積509 m2/g和孔體積0.78 cm3/g)是最佳的，較低的細胞毒性。1mol%Ga顯著降低了約60%活化部分凝血酶時間(APTT)，這對于早期的止血具有很大的意義[21]。 除此外，他們還研究了1%Ga-MBG、沸石止血劑及殼聚糖止血材料的止血及生物性能。他們指出1%Ga-MBG較高的比表面積和較大的孔體積、高表面負電荷及大量硅烷醇基團，在凝血過程中促進血小板活化和凝血酶的生成，具有較高的血栓生成量。這或許是比沸石分子篩和殼聚糖有更強的凝血效果的原因[8]。但迄今為止，還沒有機構對摻雜鎵離子的介孔生物活性玻璃的止血機理有明確的的表述，但可以肯定的是，含鎵的介孔生物玻璃將對臨床應用有重大的意義。

3.2 銅離子的生物作用及其對生物玻璃性能的影響

銅元素作為人體必需的微量元素，參與了人體的很多代謝過程[27]。在很早之前，人們就已經意識到銅具有一定的抗菌性能。銅能夠與一些有機類化合物(如：硫醇，胺等)形成化學鍵，然后結合到細胞膜表面，最終導致細胞死亡[28-29]。銅離子(Cu2+)還被證明具有促進人內皮細胞增殖的能力，這對傷口愈合來說是至關重要的[28-30]。Borkow等人將氧化銅(CuO)的顆粒物摻雜在傷口敷料中，并對其進行了生物體體外的安全性檢驗，發現Cu的抗菌特性和刺激血管生成的功能[31]。將銅復合到生物活性玻璃上是Li等人于2008年首先報道。他們的研究實驗證明了Cu2+具有較高的促進血管生成的生物學功能[32]。我們還可以發現在摻雜Cu的生物活性玻璃體系中，當其在傷口發揮作用時，Cu的釋放優先于Si[30]。顯然，這很好的避免了Cu2+的不受人為控制的大量聚集性的釋放，大大降低了因Cu2+大量釋放，而引起的Cu2+濃度過高而導致的其他并發癥的風險。在很長的一段研究時間中，人們發現銅離子(Cu2+)可以以較高的活性促進血管生長因子(包括：成纖維細胞生長因子(FGF)和血管內皮生長因子(VEGF)等)的表達[33-34]。但是在有關的實驗中發現，在糖尿病人的傷口中會有Cu2+聚集帶來的危險。因此Rath等人一直在探討介孔生物活性玻璃摻入中Cu的最佳劑量[35]。

3.3 鎂離子的生物作用及其對生物玻璃性能的影響

鎂元素在人體中的豐富程度雖然只是第十，但是其陽離子(Mg2+)的豐富程度卻位居第四[36]。鎂主要存在于人體的牙齒和骨質中，這兩部分包含了人體約65%的鎂。鎂在人體內發揮著顯著的生理作用[36]。其可以與骨細胞相互作用，促進新骨的形成。當其含量不足時，會導致骨生長減少，吸收增加，最終引起患骨質疏松[28-37]。當鎂離子(Mg2+)添加到介孔生物玻璃網絡中時，Mg-O鍵取代了Ca-O鍵，改變玻璃網絡的形成，最終會使玻璃網絡弱化。根據常江等人的研究表明，當鎂摻雜到生物玻璃體系中后，使得生物玻璃的強度得到提高，很大程度上弱化了原始的玻璃網絡[39]。Balamurugan和Dietrich等人致力于對CaO-SiO2-P2O5-MgO網絡的研究。通過他們的研究發現，當Mg添加到玻璃網中后，根據在生物模擬體液(SBF)中浸泡的數據可以明確地知道介孔玻璃的生物活性顯著提高[38]。其機理是由于Mg的加入，玻璃網絡的結構發生了改變，導致在玻璃網絡表面的羥基磷灰石(HAP)的結晶降低[28-38]。目前對鎂離子是否能夠促進細胞增殖和分化，由于缺乏明顯的對照比較，還尚不明確。但鎂離子的存在極大的改善了生物玻璃的強度和生物活性。

3.4 鋅離子的生物作用及其對生物玻璃性能的影響

鋅是人體一種必需的微量元素。在生物體內的含量約2克，但其中約九成位于骨骼和肌肉[40]。我們已經認識到鋅在骨代謝中發揮著至關重要的作用，可以刺激骨細胞中的相關蛋白質和增強有關酶的活性，進而誘導骨形成；除此外，還抑制了破骨細胞的形成，降低骨吸收[28]。此外鋅還有較好的抗菌和抗炎的性能。含2%檸檬酸鋅的潔牙劑已經被用于相關的治療[28-41]。Bejarano等人研究了Zn-MBG體系的物理性質。發現添加鋅后生物玻璃的表面積和孔體積有了顯著的增加。正如上文所提到鎂離子的一樣，鋅的加入，也極大的使玻璃網絡弱化[39]。而Anand等人證明了鋅是網絡調節劑。他們指出對于CaO-P2O5-SiO2-B2O3-ZnO體系，當鋅的含量較高時，生物玻璃結構機械強度會大大提高[42]。在Aina等人對鋅離子含量的研究中，我們發現當鋅的含量超過10mol%時，鋅將會對個體產生負面影響[43]。而Balamurugan 則指出5mol%的鋅含量是一個相對理想的值[44]。而Du等人也指出，此時的鋅含量下，浸泡在生物模擬體液(SBF)中的無鈉生物玻璃中，鋅會使影響早期階段羥基碳酸磷灰石(HCA)的核形成，但不會影響HCA的形成[45]。顯然這對刺激體外骨的形成是沒有影響的。而Hoppe的團隊不僅僅報道了當生物玻璃溶解后，三磷酸腺苷(ATP)活性的提高導致生物組織周圍的細胞活性提高，而且他們的實驗同樣也證明了堿性磷酸酶(ALP)的活性也出現了明顯的上升，而這對成骨細胞的增殖是具有很大的意義的[46]。而Dominic的實驗證明了鋅離子在促進新血管的生成方面也具有很強的能力[47]?？偠灾\離子確實使得生物玻璃的性能得到質的改善。

3.5 銀離子的生物作用及其對生物玻璃性能的影響

銀作為一種貴金屬元素被人們熟知。而其抗炎，抗菌的作用更是早已被人本應用與生活中。關于銀的抗菌作用，目前還沒有一個很好的定論，長期以來人們一直在爭論和探討。一種解釋是由于銀對微生物的吸附，其體內的酶就會失去功效，尤其是參與呼吸作用過程的酶，導致微生物迅速死亡[48-50]。擁有抗菌，抗炎能力的摻銀生物玻璃或許能夠解決在傷口感染時抗生素過度使用的問題。在此之前，就有不少的學者對其做過探索。Hu等人采用納米多孔膜的生物活性玻璃(n-BGs)，且把銀離子(Ag+)摻雜在其內，得到的結果證實銀離子摻雜的生物玻璃有較好的止血療效和抗菌作用[21]。與Hu等人的實驗類似，Pratten等人也報道了Ag-MBG體系具有的良好的抗菌能力[49]。除此之外，Chaloupka也加入到對摻雜銀的生物玻璃的研究之中，他們進行的實驗也得到了銀離子高效的抗炎能力[50]。Nadwrorny等人報道使用了摻雜銀的生物玻璃進行研究。他們指出銀離子同樣具有下調轉化生長因子β(TGF-β)的作用，這明確了摻雜銀的生物玻璃具有一定成骨能力[51]。將銀離子摻雜到生物玻璃體系中，將會使得生物玻璃更具發展前景。

4 結語與展望

生物玻璃因具有優異的生物學性能，人們對其開展了深入的研究，通過摻雜相關的治療性離子可以提高生物玻璃的生物性能、并拓寬了其應用領域。但是更加廣泛和精準的研究摻雜離子對生物玻璃的作用與影響是必要的。因此，需要開展更加廣泛的研究摻雜離子對生物玻璃結構和功能的影響及其促進和誘導生物反應的機理。可以預見生物玻璃在醫用生物材料領域將具有廣闊的應用前景。