PSC玻璃——PH中性生物活性玻璃

生物活性玻璃bioactiveglass

生物活性玻璃(bioactiveglass，BG)的关键特性即生物活性。通常认为，BG的生物活性主要有两种机理:①诱导产生羟基磷灰石(HA)层；②释放诸如可溶性钙、硅离子等，刺激组织细胞，诱导骨组织生长。BG与体液接触后，能够快速地与体液进行离子交换，通过一系列的化学反应在材料表面形成与骨组织成分类似的羟基磷灰石层，从而与人体的骨组织或软组织形成稳固的化学键合，诱导骨组织再生。另外，BG与体液接触后会以一定的速率释放各种离子，改变细胞周围的化学环境，包括pH环境，影响细胞的增殖、分化和矿化。

45S5 Bioglass是LarryL.Hench教授发明的最著名的BG，它通过熔融-淬冷法制备，化学组成为SiO2-CaO-P2O5-Na2O(wt%)目前已经广泛应用于骨损伤及牙科疾病的治疗和修复等领域。

pH中性生物活性玻璃的设计理念是通过前驱体的选择、制备方法工艺参数的优化来设计BG的组分和化学结构，进而控制BG与环境进行离子交换的种类和速率，维持pH中性环境。

PSC（P205-Si02-CaO）

根据上述设计理念，中国科学院化学研究所邱东等比较了不同磷前驱体对生物活性玻璃化学结构和性能的影响，发现植酸作为磷前体制备的CaO-P2O5-SiO玻璃生物活性组分范围更广，而且在高磷含量下仍具有生物活性，这为进一步探索pH中性生物活性玻璃提供了可能。由于无定形磷酸钙(可能是骨矿物形成的前体)的沉淀发生在中性pH附近，因此可以通过模拟所需的Ca/P比来调整BG的组成。羟基磷灰石[Ca10O(PO4)6(OH)2]的Ca/P比为1.67，而BG在体液中沉积羟基磷灰石相对缓慢，通常以Ca10-X(PO4)6-X(OH)2-X形式存在，其Ca/P比介于1.33和1.67之间。鉴于此，邱东等选用了P205-Si02-CaO(mol%)这一组成作为研究对象，其Ca/P比为1.62，接近理想的HA组成，而且其羟基碳灰石的沉积速率能够满足临床需求，此组成的BG简称为PSC。

相对于传统的生物活性玻璃，PSC的磷含量显著增加，其与体液接触后不会引起pH的显著变化能够维持pH的相对稳定。

另外，相对于传统的熔融法BG(45S5)，PSC具有相当的体外生活性、更高的比表面积、更快的降解速率，并能够更好地促进hDPCs增殖、相关基因表达及向成牙本质方向分化，这为PSC尽快应用提供了可能。

PSC玻璃的结构

全相关函数T(r)对应的结构参数

注:r为原子间距；N为配位数；合理估计误差r为±0.02A，N为±0.2。

从表中可以看出三种BG结构中Si-O、P-O和Ca-O平均原子间距的差异:相较于45S5和S70C30，PSC中Si-0和P一O原子间距相对更长，而Ca-O原子间距相对较短，这意味着可能存在不同的硅和磷配位环境。

采用31PNMR和29SiNMR进一步分析三组样品的磷硅酸盐网络结构，结果如图11-5所示，相应的参数如表11-2所示。图中，Qn单元表示一个-SiO4-四面体或-PO4-四面体连接着n个桥联氧原子。

在PA-BG中，大部分的磷原子以正磷酸盐的形式存在(PO4，74%)，其余的磷原子则形成P-O-X(X=P或Si)键。

对BG结构的测试分析清楚地表明45S5没有形成Si-O-P键，而PSC玻璃具有杂化的磷硅酸盐网络，硅酸盐与磷酸盐间形成了Si-0-P连接。从电荷平衡的角度分析，进入网络中的钙离子主要位于磷单元附近(PSC中硅氧四面体能提供的负电荷非常有限)。在SBF中PSC玻璃的Si-O-P键断裂期间，磷酸离子释放可伴随钙离子释放，有利于促进HA的形成，同时酸碱中和稳定环境pH。另外，邱东等分别选用植酸、磷酸三乙酯(TEP)和磷酸二丁酯为磷前驱体制备了PSC生物活性玻璃，并研究了不同磷前驱体对PSC结构和生物活性的影响。结果表明，磷前驱体显著地影响产物的化学结构，尤其是磷的存在形式。使用溶胶-凝胶法制备BG时，即使设计组分相同，其结构也可能会因为前驱体的不同而存在重要的结构差异(玻璃多样性)。体外试验结果表明，植酸为前驱体得到的PSC显示出更高的体外生物活性，即PSC的生物活性也与磷前驱体相关。前驱体对BG结构和性能的影响也为设计中性pH生物活性玻璃提供了更多的选择。

PSC的性质

PSC的中性PH性质

对于PSC样品，磷的浓度仅在前1h内降低，之后保持大致不变，这可能是由于PSC中含有较多磷，从而在体液中可以不断释放磷离子，而且释放的磷与释放的钙相当，同时结合成Ca-P层，从而确保钙、磷离子含量稳定。

提高磷含量调控BG的组分、结构可以有效构筑pH中性生物活性玻璃。相对于45S5，PSC具有较低的离子浓度，意味着其溶出的钙、磷离子等快速沉积形成了羟基磷灰石，即生物活性更高。

降解性能

BG中磷酸盐含量的增加有利于提高降解速率。离子释放速率较快的45S5玻璃在体内降解缓慢，通常需要1~2年才能从体内消失。所以降解速率较快的PSC玻璃测出的离子浓度较低，并不代表其本身释放的离子浓度低，而是由于其释放的钙、磷离子快速形成Ca-P沉积层，降低相应离子浓度，从而稳定其环境pH。

体外生物活性和细胞相容性

PSC能够诱导HA的生成，表现出良好的生物活性。

细胞能够在PSC样品表面生长和增殖，无须预处理，而45S5和S70C30表面不经过预处理，没有发现细胞黏附现象，这说明PSC具有更好的细胞相容性。类似地，与45S5相比，PSC能够更好地促进牙髓细胞增殖，并促进成牙方向分化和矿化等。因此，PSC中性生物活性玻璃在骨修复和牙科领域具有潜在的应用价值。

烧结性能

BG通过烧结可以形成一个相互连接的整体，有利于开发BG成型产品，如通过烧结制备BG支架等。一般而言，BG烧结在一起后能够有效提高材料的强度，再结合其他成型技术，如3D打印等，就能制造出具有特定形状的BG支架。PSC表现出的烧结行为表明其在这方面有着良好的应用潜力。总之，PSC中性玻璃中含有较高的磷，其组分和化学结构与45S5和S70C30存在着明显不同，和SBF接触后也表现出不同的离子交换行为。

PSC中较高的磷含量使磷以适当的速率降解，并且它可以与溶解的钙结合形成Ca-P层。这不仅有利于中性pH的维持，而且有利于HA的快速形成，使PSC表现出优良的生物活性。

相较于45S5，PSC还能够更好地促进牙细胞增殖，并促进其向成牙方向分化和矿化等。此外，PSC表现出良好的烧结行为，有利于和3D打印技术相结合制备持定形状的BG支架等。PSC具有优异的体外生物活性和良好的加工性能，使其在生物医学应用方面具有港在的价值。

PSC玻璃在生物医学应用方面的研究

中性生物活性玻璃PSC特殊的离子交换行为，与SBF反应后能够维持pH中性以及良好的生物活性、生物相容性和可降解性，使其在骨损伤及牙科疾病的治疗和修复等领域有很大的应用潜力。

可注射生物活性玻璃复合骨水泥

椎体压缩性骨折(vertebralcompressionfracture，VCF)是骨质疏松患者最常见的并发症之一，我国每年的新发病例约有180万例。经皮椎体后凸成形术percutaneouskyphoplasty，PKP)和经皮椎体成形术(percutaneousvertebroplastyPVP)是治疗VCF的主要手段。在PKP和PVP中，因经皮注射的需要，可注射骨水泥是必不可少的。目前，临床上可用的可注射骨水泥主要包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥、硫酸钙骨水泥(CSC)和磷酸钙骨水泥(CPC)PMMA是PVP和PKP中使用最广泛的骨水泥。但是该材料存在明显缺陷，如PMMA不可降解，无法被新生骨组织替代；无骨传导、生物活性，材料和骨组织之间的长期界面稳定性不能得到保证；单体有毒，聚合放热，可导致组织、神经热坏死；此外，PMMA强度与模量过高，长期以异物形式存在体内，可能导致相邻椎体骨折。

BG具有良好的生物相容性、生物活性和骨诱导性，在骨修复领域拥有广泛的应用。研究表明，BG的降解速率通常比磷酸钙更慢。鉴于此，合BG和硫酸钙，很可能研发出具有良好生物活性、骨诱导性和可控吸收速率的可注射骨水泥。鉴于PSC优异的性能，中性PSC生物活性玻璃为制备中高BG含量的新型BG/硫酸钙(如PSC/CS)复合骨水泥提供了可能。在生理条件下，PSC/CS骨水泥可以长期保持其初始形状，维持一定的力学强度，从而在骨组织愈合过程中提供足够的力学支撑，为骨细胞提供一个长期的“桥梁”。

PSC/CS骨水泥由于具有适当的力学性能、良好的生物活性、骨诱导性及适宜的降解速率，对长期维持椎体高度有积极作用，同时可以促进骨折愈合，减少相邻椎体新骨折等术后并发症。所以，以中性PSC玻璃为基础的新型PSC/SC骨水泥在PKP和PVP手术方面具有良好的应用前景。

PSC诱导牙髓牙本质复合体再生

BG具有良好的生物活性，植入体内后能迅速矿化生成HA并与周围组织形成组织结合，同时材料降解释放具有基因激活作用的硅、钙、磷等离子对细胞成骨、成血管等相关的多种基因表达具有促进作用，已被广泛用于再生骨、牙周等组织的再生领域。由于骨组织和牙本质无机成分均为HA，成骨和成牙的调控机制有相似性，因此BG应用于牙髓牙本质复合体再生领域也有一定的可行性。研究表明，45S5浸提液体外能促进牙细胞增殖、碱性磷酸酶活性、矿化结节形成以及成牙本质方向分化相关基因蛋白高表达；然而，45S5从体内消失还需要1~2年，其中硅的长期作用和BG的缓慢降解会引起其他一些问题。如前所述，相较于45S5，中性PSC玻璃诱导生成HA的速度更快或者相当，与SBF反应后能够维持相对稳定的PH，并且其能够促进hDPCS增殖，显著增强成牙本质分化基因DSPP、DMP-1的表达。因此，中性PSC在诱导牙髓牙本质复合体再生方面有很大潜力。

中性PSC生物活性玻璃具有特殊的离子交换行为，与SBF反应后能够维持pH中性以及良好的生物活性和可降解性，使其在与其他材料复合、治疗骨损伤及牙科疾病等一些特殊情形下的生物活性优于传统的45S5玻璃，并且有很大的发展空间。但也应该认识到其性能还远未达到理想骨移植材料的要求，仍需要进一步优化其组分和结构，提高性能，拓展用途；另外，PSC对在体内生物活性的影响机理及长期作用仍需要进一步探索。