[科普中國(guó)]-生物玻璃

生物玻璃(bioglass) 是指能實(shí)現(xiàn)特定的生物、生理功能的玻璃。將生物玻璃植入人體骨缺損部位，它能與骨組織直接結(jié)合，起到修復(fù)骨組織、恢復(fù)其功能的作用。生物玻璃是佛羅里達(dá)大學(xué)美國(guó)人 L.L.亨奇于 1969 年發(fā)明的。其主要成分有約占45%Na2O、占25%CaO與25%SiO2和約占5%P2O5。若添加少量其他成分，如K2O、MgO、CaF2、B2O3等 ， 則可得到一系列有實(shí)用價(jià)值的生物玻璃。用這種玻璃來造人體骨比某些金屬要優(yōu)越的多。

簡(jiǎn)介生物玻璃已成為材料科學(xué)、生物化學(xué)以及分子生物學(xué)的交叉學(xué)科，由于生物玻璃具有生物活性等特點(diǎn)，在組織工程支架材料、骨科、牙科、中耳、癌癥治療和藥物載體等方面的應(yīng)用前景可觀。主要由Si、Na、Ca 以及P 的氧化物組成1。

適用原因亨特教授曾把這種生物玻璃做成猴子大腿骨，植入猴子體內(nèi)，經(jīng)過一定時(shí)間。后來又從猴子體內(nèi)取出大腿骨進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)再生的骨細(xì)胞已經(jīng)長(zhǎng)入生物玻璃骨內(nèi)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，混成一體。經(jīng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，這種人造骨比原骨要結(jié)實(shí)得多。

生物玻璃之所以適用，原因是它的配料成分是仿生的，經(jīng)過配料進(jìn)行化合反應(yīng)后，會(huì)生成一種新成分叫羥基磷酸鈣Ca5(PO4)3(OH)。這種成分就是人和動(dòng)物的骨頭的構(gòu)成成分。

制法生物玻璃的制法與工業(yè)玻璃類似，在1400℃左右高溫下熔制，均化后澆注到不銹鋼模具中成形 ，退火后即得到其制品。由于生物材料的特殊要求，制備生物玻璃須采用高純?cè)噭┳髟?，以鉑坩堝為容器，盡可能減少雜質(zhì)混入。由于生物玻璃化學(xué)穩(wěn)定性差，易與環(huán)境中的水分反應(yīng)，因此在加工、滅菌和保存中，須保持干燥，防止變質(zhì)。生物玻璃的機(jī)械強(qiáng)度低，只能用于承力不大的體位，如耳小骨、指骨等的修復(fù)。將生物玻璃涂敷于鈦合金或不銹鋼表面，在臨床上可制作人工牙或關(guān)節(jié)。

主要用溶膠凝膠制備，這樣能很好的保留其生物活性1。

生物玻璃的增韌1.自增韌

由適當(dāng)組成的玻璃通過控制結(jié)晶化制成微晶化玻璃,又稱玻璃陶瓷。通過新晶相的析出來提高材料的機(jī)械強(qiáng)度。如小久保正的A-W微晶玻璃，通過第二相硅灰石的析出提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度，而沒有降低材料與骨結(jié)合的能力?？汕邢骷庸げＡ沾蓜t是通過向含磷灰石微晶的玻璃中引入能析出氟金云母的成分，大大改善了玻璃陶瓷材料的可切削加工性能。自增韌技術(shù)的采用在一定程度提高了玻璃材料的某些力學(xué)性能，為實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用帶來了可能。

2.顆粒增韌

利用生物玻璃或陶瓷與其他顆粒相復(fù)合的方法提高整體材料的強(qiáng)度,復(fù)合方式有多種，可分為：

①與活性生物顆粒相復(fù)合，作為增強(qiáng)相與輕基磷灰石相復(fù)合。

②與生物惰性顆粒相復(fù)合。選擇具有生物活性的生物玻璃為母材與其他惰性顆粒組成復(fù)合材料，從而保存活性提高強(qiáng)度和韌性。

3.纖維增韌

碳纖維、碳化硅纖維及金屬纖維都被用于生物玻璃陶瓷材料的補(bǔ)強(qiáng)增韌，如將碳纖維切成一定長(zhǎng)度的小段，并以水為介質(zhì)與磷酸鈣充分混合，將得到的漿料球磨混合后真空熱壓燒結(jié)，制得的復(fù)合材料最終抗彎強(qiáng)度為23.6MPa,拉伸變形率為0.36%，提高了材料的韌性。

4.層狀復(fù)合增韌

層狀復(fù)合增韌的核心是將結(jié)構(gòu)陶瓷中的層狀增韌機(jī)理引入生物材料。用生物活性材料(生物玻璃或HA)為基體材料，引入碳素等延性材料作為夾層材料，制備胚體，該胚體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下熱壓燒結(jié)，得到基本致密的塊體，其斷口為階梯狀斷裂，表明復(fù)合陶瓷整體在達(dá)到最大載荷點(diǎn)后失效不是突變的，而是裂紋在石墨層中擴(kuò)展,并逐步被吸收，呈Z狀擴(kuò)散，因而避免了脆性斷裂。

5.生物活性玻璃涂層

生物玻璃加涂士醫(yī)用金屬等的基底上形成的一種涂層材料，其目的在于利用生物玻璃與骨鍵合的生物活性以及金屬的高強(qiáng)度，構(gòu)成可承受負(fù)載的骨和牙等硬組織替換材料。功能梯度涂層即通過增加過渡性涂層，縮小基體與活性涂層間熱膨脹性能的差異，從而增強(qiáng)兩者之間的結(jié)合力，取得了一定的效果2。

生物玻璃的應(yīng)用1.生物玻璃在牙科治療中的應(yīng)用

生物玻璃自1985年開始應(yīng)用于臨床修復(fù)骨、關(guān)節(jié)軟骨、皮膚和血管損傷。人工中耳骨MEP是生物玻璃材料最早產(chǎn)品，它既可與軟組織（耳膜）連接，又可與骨連接，臨床結(jié)果顯示較好于其他生物陶瓷和金屬材料。第二代生物玻璃材料 ERMI可用于填補(bǔ)牙根空位，避免牙床萎縮。ERMI與牙床骨連接緊密，較之預(yù)防牙床萎縮的其他材料有更好的療效。第三代生物玻璃材料早期產(chǎn)品PerioGlas，主要用于牙周疾病所致骨缺損重建和拔牙后局部填充。長(zhǎng)期臨床研究顯示，PerioGlas臨床效果良好，對(duì)人體無不良反應(yīng)。含50%磷酸的生物玻璃可用于治療牙本質(zhì)過敏和早期釉質(zhì)齲齒。原因是生物活性玻璃微粒由于與其植入髓室穿孔處與血液及牙槽骨骨組織接觸時(shí)，可在瞬間與組織間發(fā)生復(fù)雜的離子交換，在生物玻璃表面形成富硅凝膠層，并聚集形成碳酸羥磷灰石層，通過鈣磷層的快速形成并沉積在穿孔區(qū)牙周組織內(nèi)，最終鈣化，形成牙骨質(zhì)和牙周新附著。Bakry等研究含50%磷酸的生物玻璃，結(jié)果顯示其生物相容性良好，是一種安全的生物材料。

2.生物玻璃在骨骼修復(fù)中的應(yīng)用

生物玻璃在牙科疾病預(yù)防和治療中取得良好臨床效果后，隨即也應(yīng)用于骨科，其產(chǎn)品有固骼生（NovaBone)。生物玻璃力學(xué)強(qiáng)度較差，主要用于非承重部位骨缺損修復(fù)。由于生物玻璃表面在人體的生理環(huán)境中可發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，并可直接參與人體骨組織的代謝和修復(fù)過程，最終可以在材料表面形成與人體相同的無機(jī)礦物成分——碳酸羥基磷灰石)]CO,(2OH)(PO-[CaO-23-6410，并誘導(dǎo)骨組織的生長(zhǎng)，所以可用于人體骨缺損的填充和修復(fù)。Ameri等報(bào)道在青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者后路脊柱融合矯形術(shù)中分別采用生物玻璃和自體髂嵴骨移植，術(shù)后平均隨訪34.7個(gè)月（最短24個(gè)月）發(fā)現(xiàn)，生物玻璃組臨床效果與自體髂嵴骨移植組相同，且可減少自體髂嵴骨移植所帶來的并發(fā)癥。Seddighi等報(bào)道在頸椎病前路融合術(shù)中采用填充生物玻璃和自體骨的鈦網(wǎng)，平均隨訪14.3個(gè)月顯示，其脊柱融合率與僅填充自體骨的鈦網(wǎng)相比基本相同。

3.生物玻璃在藥物載體方面的應(yīng)用

藥物治療載體也是生物玻璃最有前景的應(yīng)用之一。各種各樣的藥物儲(chǔ)存在多孔的生物玻璃中，然后植入人體的有關(guān)關(guān)鍵部位,隨著生物玻璃表面反應(yīng)的進(jìn)行，藥物將釋放，達(dá)到有的放矢的治病目的，與傳統(tǒng)的注射方法相比，有均勻、長(zhǎng)時(shí)間治療等眾多的優(yōu)點(diǎn)，有最大效率的療效。

4.生物玻璃在創(chuàng)口愈合中的應(yīng)用

生物活性玻璃用于促進(jìn)傷口的愈合也是當(dāng)今的一個(gè)研究方向。國(guó)內(nèi)外的一些專利對(duì)此均有涉及。如美國(guó)的D.C.格林斯潘等就在其專利中介紹了一種用于加速創(chuàng)傷和燒傷愈合的組織物，其中就包含有活性玻璃。生物活性玻璃的加速促進(jìn)創(chuàng)口愈合的機(jī)理為：當(dāng)該材料植入人體內(nèi)，在體液的作用下，Na、2Ca等活性大的離子首先溶出，體液中的H進(jìn)入玻璃表面形成Si-OH，然后由于Si-O-Si鍵破壞，無規(guī)網(wǎng)絡(luò)被溶解，可溶性硅以硅醇形式被放出，并且迅速在材料分體表面形成一個(gè)羥基磷灰石膠結(jié)層。可溶性硅有分子水平結(jié)締組織的代謝作用和結(jié)構(gòu)作用，生物玻璃溶解后，局部Si濃度的升高可促進(jìn)細(xì)胞新陳代謝的細(xì)胞內(nèi)部相應(yīng)，激發(fā)促創(chuàng)傷愈合因子的自分泌反應(yīng)，參與創(chuàng)傷修復(fù)的所有細(xì)胞在促創(chuàng)傷愈合因子的自分泌反應(yīng)，參與創(chuàng)傷修復(fù)的所有細(xì)胞在促創(chuàng)傷愈合因子的刺激下加速生長(zhǎng)和分裂，并聚集于材料表面形成的羥基磷灰石膠結(jié)層，使新生組織能整個(gè)創(chuàng)面順利爬移和覆蓋3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)