含锌生物活性玻璃——锌离子的抗菌性

含锌生物活性玻璃

含锌生物活性玻璃（Zinc-containing Bioactive Glass,ZBG），是一种具有独特生物相容性和生物活性的无机非金属材料，通过调整锌含量和玻璃的网络结构，可以调控材料的降解速率和离子释放行为，从而优化其生物学性能。与传统的生物活性玻璃相比，ZBG具有一些独特的优点，这些优点主要体现在以下几个方面：

1.增强的生物活性：含锌生物活性玻璃由于锌离子的加入，可以促进骨细胞的增殖和分化，加速骨组织再生过程。锌离子能够促进羟基磷灰石层的形成，这是骨组织再生的一个关键步骤。研究表明，含锌生物活性玻璃在模拟体液中能够快速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形成稳固的化学键合，诱导骨组织再生。

2. 抗菌性能：锌是一种已知的抗菌元素，锌离子能够破坏细菌的细胞壁和细胞膜，干扰细菌的代谢过程，从而抑制或杀灭细菌，含锌生物活性玻璃利用锌的抗菌特性，可以抑制细菌的生长，减少术后感染的风险。这对于预防和治疗骨科植入物相关的感染尤为重要，因为感染是导致植入物失败的主要原因之一。

3.增强材料的力学性能：锌的加入可以提高生物活性玻璃的机械强度。这对于需要承受较大力学负荷的应用场景，如承重骨骼的修复，是非常重要的。

4.促进血管和骨组织生成：锌离子还能够促进血管生成，这对于骨组织修复和再生是必要的，因为新血管的形成有助于输送营养物质和氧气到修复区域；锌离子还被发现可以促进骨细胞的分化和增殖，加速骨组织再生过程。这对于骨科修复和再生医学来说是一个重要的特性，因为它可以提高治疗的成功率并减少患者恢复时间。

5.减少细胞毒性：一些研究表明，适当含量的锌不会损害生物活性，甚至可能促进细胞活力并增加碱性磷酸酶（ALP）的产生，这是一种与骨形成相关的酶。

6. 热稳定性：含锌的生物活性玻璃具有超高的结晶温度，这使得它们在高温下保持稳定，有助于在制造和加工过程中保持其结构和性能。

7.多用途性：含锌生物活性玻璃不仅在骨科领域有应用，还在牙科和矫形外科中有潜在的应用，例如作为骨组织支架、骨填充颗粒、生物活性涂层和骨水泥等。

应用——牙科领域

含锌生物活性玻璃除了生物活性玻璃本身具有的特点可以应用在牙科领域：

牙本质再矿化：通过与牙本质中的矿物质反应，形成类似羟基磷灰石的结构，从而实现再矿化的效果。

牙科充填材料：促进牙本质再生和增强充填材料与牙体组织结合。

牙周病治疗：生物活性玻璃可以作为骨移植材料，帮助恢复牙槽骨的形态和功能。

根管治疗：作为根管封闭剂的一部分，利用其生物活性促进根管内硬组织的再生。

牙科植入物：用于牙科植入物的涂层材料，以增强植入物与周围骨组织的整合，提高植入物的稳定性和成功率。

牙科美容/美白牙齿：利用其与牙体硬组织的相互作用来改善牙齿的美观和健康保护。

抗过敏修复：通过促进牙本质的再矿化来减少牙齿敏感性。

应用——骨科领域

在骨科领域也可以应用在：

骨组织工程：ZBG被广泛研究用于骨组织工程，特别是在骨缺损修复和骨再生方面。研究表明，ZBG可以促进骨细胞的增殖和分化，加速骨组织再生过程。例如，一项研究中，通过在模拟体液（SBF）中浸泡含锌生物活性玻璃后，发现其表面形成了磷灰石层，这是骨组织再生的一个关键步骤。

抗菌性能：含锌生物活性玻璃因其抗菌特性而被研究，锌离子能够破坏细菌的细胞壁和细胞膜，干扰细菌的代谢过程，从而抑制或杀灭细菌。这对于预防骨科植入物相关的感染尤为重要

骨科植入物：ZBG也被研究用于骨科植入物的涂层材料，以增强植入物与周围骨组织的整合，提高植入物的稳定性和成功率。例如，一项研究中，通过将ZBG与钛合金结合，制备了具有抗菌和促进骨整合的涂层

骨修复材料：ZBG作为骨修复材料的研究也在进行中，它能够作为骨移植材料，帮助恢复骨组织的形态和功能。研究表明，ZBG具有超高的结晶温度，良好的生物学性能，使其在骨修复中具有潜在的应用价值

药物载体：ZBG还被研究作为药物载体，用于控制药物释放，以促进骨愈合和组织再生。这种应用可以减少药物的副作用，并提高治疗效果。

复合材料：ZBG与其他生物材料（如聚合物、生物陶瓷等）复合，以制备具有更好力学性能和生物相容性的复合材料。这些复合材料在骨科领域具有广泛的应用潜力。

其他元素加入生物活性玻璃

除了锌，其他元素如银（Ag）、铜（Cu）、铈（Ce）、镓（Ga）、锶（Sr）、锂（Li）、碲（Te）等也能增强生物活性玻璃的抗菌特性。这些元素通过不同的机制对生物活性玻璃的其他性能产生影响：

银（Ag）：银离子具有广谱抗菌性，能够与细菌细胞壁和细胞膜上的硫醇基团结合，破坏细胞膜的通透性，导致细胞内物质泄漏，从而杀死细菌。银的抗菌效果与其离子形式有关，Ag⁺离子能够干扰细菌的代谢过程和DNA复制。在一项研究中，银掺杂的生物活性玻璃被用于无抗生素的抗菌应用，对大肠杆菌的抗菌效果显著。

铜（Cu）：铜离子能够从细胞结构中提取电子，破坏细菌的细胞膜和细胞内结构，导致细菌死亡。铜的抗菌特性与其氧化态有关，Cu²⁺离子能够产生氧化应激，破坏细菌的细胞结构。铜基材料和涂层具有潜在的多方面生物医学应用，包括抗菌性能。铜离子能够破坏细菌的细胞膜，从而发挥抗菌作用。

铈（Ce）：铈的抗菌机制可能与其能够产生自由基有关，这些自由基能够损伤细菌的细胞膜和细胞内结构，导致细菌死亡。：铈掺杂的生物活性玻璃（Ce-BGs）在抗菌性能研究中表现出对大肠杆菌的抑制作用，且这种抗菌活性与环境pH值的增加有关。

镓（Ga）：镓离子能够抑制细菌对铁的吸收，影响细菌的生长和繁殖。镓与铁有相似的化学性质，可以干扰细菌的铁代谢，从而发挥抗菌作用。镓含有的生物活性玻璃纳米颗粒被研究用于骨再生，显示出良好的生物活性、生物相容性和抗菌活性

锶（Sr）：锶离子被认为对骨形成和再生具有良好的影响，同时也具有抗菌活性。Sr掺杂的生物活性玻璃表现出优异的抗菌活性和骨再生能力。锶离子被认为可以促进骨形成和血管生成，同时具有抗菌活性。在生物活性玻璃中，锶的掺杂被研究用于提高材料的生物活性和抗菌性能。

锂（Li）：锂离子掺杂的纳米TiO2抗菌材料对大肠杆菌的抗菌率达到99.5%以上，其抑菌环直径达到2.6cm。锂离子的掺杂可以抑制样品中晶粒的长大从而细化晶粒，提高光催化性能。

碲（Te）：碲及其化合物在冶金、电子和应用化工等各个行业得到了广泛的应用，环境中碲氧化物的存在引起了人们对水体和土壤污染的关注。研究表明，即使在低浓度下，碲氧化物对大多数生物都有毒性，单质碲相比碲氧化物的毒性更低、溶解度小、应用更加广泛。