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            【原創(chuàng)】生物活性玻璃:“救死扶傷”的神奇材料


            來源:中國粉體網(wǎng)   青黎

            [導(dǎo)讀]  生物活性玻璃未來的研究方向主要集中在合成工藝改進、材料性能提升、復(fù)合材料制備、生物芯片玻璃等。

            中國粉體網(wǎng)訊  生物活性玻璃是一種具有組織修復(fù)功能的特種玻璃材料,最初由佛羅里達大學(xué)的

            Hench教授于19世紀(jì)70年代研制開發(fā)出來,屬于硅酸鹽體系且具有特定的化學(xué)組成。其在植入體內(nèi)后能夠產(chǎn)生鍵合作用從而緊密的結(jié)合骨組織,同時不產(chǎn)生炎癥等不利反應(yīng),具有良好的生物相容性和生物活性,因而引起了生物醫(yī)用材料界的高度關(guān)注,并且隨著材料制備技術(shù)的發(fā)展,生物活性玻璃的特性、制備工藝、化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)以及理化性能也在不斷改進,得到了不斷向前的發(fā)展,應(yīng)用前景也越來越廣泛。


            生物活性玻璃的制備


            1、熔融法


            熔融法生物玻璃是第一代生物玻璃,被廣泛應(yīng)用于臨床。其制備方法與普通玻璃的方法類似,首先將一定純度的粉體原料按照一定化學(xué)計量比均勻混合,然后將混合原料在高溫條件下(1300~1500℃)熔融,再將高溫熔體在水中淬冷,最后通過干燥、研磨和過篩得到生物活性玻璃粉體。


            Hench使用熔融法制備了生物活性玻璃(45S5)。研究發(fā)現(xiàn),45S5生物玻璃具有良好的生物相容性、高生物活性和優(yōu)異的骨修復(fù)性能,其產(chǎn)品已在牙科和整形外科等臨床中得到很好的應(yīng)用,如中耳骨修復(fù)、牙周缺損修復(fù)以及牙槽脊增高等,并取得良好的治療效果。


            但是,熔融法自身卻存在一些不容忽視的缺點,比如高溫熔融工藝能耗較大,生物玻璃中的堿金屬成分在高溫下易腐蝕坩鍋造成成分污染,研磨過篩進一步導(dǎo)致有害雜質(zhì)摻雜且導(dǎo)致顆粒形貌不規(guī)則、粒度不均勻,混料不均和分相現(xiàn)象導(dǎo)致成分不均勻,材料呈塊狀且致密無孔,比表面積小,離子釋放和降解速度慢,不利于新生組織的長入等。


            2、溶膠-凝膠法


            溶膠-凝膠法是在酸或堿催化下,使含有Ca、P、Si等化合物前驅(qū)體在溶液中發(fā)生水解生成玻璃溶液,后經(jīng)過陳化等后處理形成玻璃態(tài)凝膠,最后通過干燥工藝去除凝膠材料中未反應(yīng)的揮發(fā)有機物得到生物活性玻璃的方法。相對于傳統(tǒng)的熔融法,制備的產(chǎn)品具有顆粒小、比表面積大等優(yōu)點。此外,燒結(jié)溫度遠低于熔融法制備玻璃溫度,該工藝技術(shù)對設(shè)備要求較低,制備的材料具有更高的物理化學(xué)穩(wěn)定性及相容性。


            但是溶膠-凝膠法也存在缺陷,雖然材料結(jié)構(gòu)中存在大量納米級顆粒,但這些顆粒仍然處于粘結(jié)狀態(tài),難以分散開的塊狀材料。通過研磨和篩分方法進行后期處理,得到的是形貌不規(guī)則且粒度不均勻的微米級顆粒。難以獲得形貌可控、顆粒尺寸均勻的微納米級生物活性玻璃。


            3、模板法


            模板合成法是在溶膠-凝膠技術(shù)基礎(chǔ)上,通過模板自組裝技術(shù)進行制備生物材料的一種方法。通常將具有特殊結(jié)構(gòu)的大分子物質(zhì),或具有特定形態(tài)的表面活性劑等作為形貌模板劑或結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,或多種結(jié)構(gòu)物質(zhì)層層組裝,再經(jīng)過洗脫或熱蒸發(fā)等后處理,合成具體特定結(jié)構(gòu)及性能的納米新型生物活性玻璃材料。


            模板法制備生物活性玻璃在近十年間得到了迅速發(fā)展,早在2004年趙東元教授團隊在溶膠-凝膠工藝的基礎(chǔ)上,結(jié)合模板組裝技術(shù),首次制備了高度有序的介孔生物活性玻璃,相比于傳統(tǒng)的溶膠-凝膠生物活性玻璃,前者具有更有序的介孔結(jié)構(gòu),更大的比表面積,也呈現(xiàn)出更快的磷灰石形成活性。


            生物活性玻璃的應(yīng)用


            1、口腔科


            生物活性玻璃在口腔科領(lǐng)域具有多重應(yīng)用。首先,生物活性玻璃在口腔護理產(chǎn)品中發(fā)揮關(guān)鍵作用,尤其在牙膏中的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。含有生物活性玻璃和氟化物的牙膏,通過在刷牙后數(shù)小時內(nèi)控制釋放鈣、磷酸鹽和氟化物離子,可以善牙齒表面和牙本質(zhì)小管的狀態(tài)。其次,生物活性玻璃廣泛用于治療牙周病和種植牙領(lǐng)域。再次,生物活性玻璃在正畸治療中發(fā)揮作用。此外,生物活性玻璃還在根管治療中被用作局部牙根消毒劑。生物活性玻璃通過表面反應(yīng)形成堿性環(huán)境,減少細菌的生存,同時不影響牙本質(zhì)的穩(wěn)定性。最后,生物活性玻璃在口腔頜面外科中還扮演重要角色。


            2、骨科


            生物活性玻璃在骨骼系統(tǒng)疾病應(yīng)用中同樣具有廣泛的潛力。許多骨骼系統(tǒng)疾病與骨代謝密切相關(guān),而骨形成和骨吸收的過程受到多種系統(tǒng)和局部調(diào)控因素的調(diào)節(jié),包括生長因子、激素和應(yīng)激作用等。研究表明,單獨的無機離子元素如鈣(Ca)、硅(Si)、磷(P)、鍶(Sr)、鋅(Zn)以及硼(B)、釩(V)、鈷(Co)和鎂(Mg)參與了骨代謝過程,并在骨組織的血管生成、生長和礦化中發(fā)揮了重要的生理作用,而這些離子在生物活性玻璃降解過程中廣泛存在。此外,生物活性玻璃在骨質(zhì)疏松領(lǐng)域的臨床應(yīng)用也在不斷擴展。一些研究者已經(jīng)開始嘗試將生物活性玻璃顆粒與抗骨質(zhì)疏松藥物結(jié)合。


            3、傷口愈合


            近年來,生物活性玻璃在軟組織修復(fù),尤其是傷口愈合中的應(yīng)用日益引起關(guān)注。在創(chuàng)面局部應(yīng)用不同成分的生物活性材料可以抗炎、促進血管生成和加速傷口愈合。此外,生物活性玻璃還可與一些功能性離子結(jié)合,例如:Ag+具有優(yōu)異的抗菌和抗炎效果;Cu2+能夠促進血管化,并具有一定的抗菌作用等。然而,傷口愈合是一個復(fù)雜而漫長的過程,涉及多種細胞因子和生長因子的分泌,以及不同類型的細胞相互作用。因此,生物活性玻璃在這個長期過程中的持效性和如何實現(xiàn)長期效應(yīng)仍需進一步探究。


            4、癌癥


            采用熔融凝膠法制備的介孔生物活性玻璃相較于傳統(tǒng)生物活性玻璃通常表現(xiàn)出更優(yōu)異的成骨性能和載藥性能,這使其成為包括癌癥診斷及治療在內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的理想材料。功能化的介孔生物活性玻璃可以通過增強降鈣素原的診斷信號來輔助癌癥診斷,特別是針對表現(xiàn)為發(fā)熱和C-反應(yīng)蛋白水平升高為主的癌癥病例。此外,各種不同類型的刺激響應(yīng)型介孔生物活性玻璃,如pH響應(yīng)、磁響應(yīng)性、光響應(yīng)性等,可以實現(xiàn)藥物的脈沖釋放或時空控制,以滿足藥物按需釋放的需求,這使其在癌癥治療中,可制造成具有持續(xù)或可控藥物釋放特性的先進藥物傳遞系統(tǒng)。然而,這些材料在實現(xiàn)可靠的癌癥治療方面仍存在一些未解決的生物學(xué)問題,包括治療分子(如離子和藥物)在介孔生物活性玻璃中的最佳劑量以及長期不良反應(yīng)等,需要進一步的研究來解決。


            小結(jié):


            生物玻璃從問世至今已有50余年歷史,在這期間生物玻璃的兩種核心制備方法——熔融和溶膠凝膠法不斷改良發(fā)展,生物活性玻璃在口腔醫(yī)學(xué)的研究已經(jīng)成為熱門,臨床應(yīng)用其主要集中于骨組織修復(fù)及整形外科等領(lǐng)域。生物活性玻璃未來的研究方向主要集中在合成工藝改進、材料性能提升、復(fù)合材料制備、生物芯片玻璃等。制備高性能的生物活性玻璃產(chǎn)品,使其更好應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)成為未來研究重點。此外,生物活性玻璃復(fù)合材料、可調(diào)控的納米級及介孔生物活性玻璃,高性能產(chǎn)品用于醫(yī)學(xué)治療、藥物治療載體也是今后的發(fā)展方向。


            參考來源:

            1、覃姣楣.生物活性玻璃材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的最新研究與應(yīng)用

            2、胡慶.用于牙髓損傷修復(fù)的新型微納米生物活性玻璃的仿生制備及性能研究

            3、路小彬,劉春春.生物活性玻璃研究現(xiàn)狀

            4、高樺,車薈等.生物活性玻璃:調(diào)整制備工藝和摻入元素來實現(xiàn)不同的應(yīng)用形式和功能

            5、王恩典,魏子欽等.生物玻璃制備技術(shù)


            (中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎)


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            作者:青黎

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