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1、生物活性玻璃对骨缺损修复的研究新进展王砚军1 , 陈长河2 , 李冀2*( 1. 华北煤炭医学院骨科, 河北063000; 2. 河北省唐山市第二人民医院骨科, 河北唐山063000)导读：生物活性玻璃为Hench首次提，并研制出目前世界上唯一“同时对软组织与骨组织具有修复和键合作用的”生物活性玻璃。生物玻璃，活性玻璃，生物活性玻璃到底有何用途？请看以下文献，或许对您有帮助！温馨提示：湖北顶盛生物与武汉大学联合研制出了新一代生物活性玻璃锶强化生物活性玻璃，获得了中国独家专利（证号：200810197668.4），并独家采用此材料，研制出了我国第一款全面治疗口腔疾病的医用药膏顶盛健齿膏！湖北顶盛
2、生物工程有限公司官网：（我爱我牙网）5251爱牙热线：400880 5251骨缺损是骨科常见的疾病, 常由肿瘤、外伤、囊肿等引起。临床治疗非常困难, 自体骨、同种异体骨及人工合成材料填充是临床常用的手段。自体骨植入是被认为疗效最为肯定、价格低廉的方法, 但它来源有限, 供区疼痛, 出血, 限制了它的应用。异体骨取材广泛, 但它易传播疾病, 产生排斥反应, 引起感染, 需要进一步的改善。组织工程虽然进展很快,提供了一些治疗方法, 但还没有进入临床应用, 有待进一步研究。临床上需要发展一种价格低廉、且易获得的骨移植替代材料。这种理想的生物材料除能填充缺损还能够在植入界面激发特殊的生物学反应。Hen
3、ch 等 1于1971 年合成了一种钠-钙-磷组成的生物玻璃, 固骼生是在其基础上美国生物材料公司与佛罗里达大学先进材料研究中心合作于20 世纪90 年代中期研制的系列生物活性玻璃产品之一。生物活性玻璃SiO2 的重量百分比含量为45%, 24. 5%Na2O 和24. 5%的CaO 作为网络改性剂, 此外为了有类似羟基磷灰石( 骨骼中的无机相) 中的Ca /P 组分, 加入6%的P2O5。根据生物学活性不同, 可以将骨移植替代材料分为两类。一类材料除具有骨传导作用外, 还具有骨形成促进作用,能在材料组织界面引起胞内和胞外反应; 另一类材料只具有骨传导作用, 仅仅引起胞外反应。生物活性玻璃属于
4、第一类材料, 具有良好的骨传导和骨形成作用。生物活性玻璃作为骨替代材料具有以下优点。a ) 骨形成迅速。除骨引导作用以外, 在颗粒内部及其周围也可见骨生成。b) 颗粒大小均匀。由于颗粒之间空隙和材料表面的大量微孔存在, 为血管和组织的长入和紧密结合提供了良好条件。c) 操作性能良好, 生物相容性好, 有黏附性和局部止血作用。d) X 线阻射, 便于术后检查。e) 具有降解性, 颗粒可被吸收, 最终形成骨样结构。1生物活性玻璃在体液中对pH 值和离子浓度的影响生物材料对骨形成的影响取决于材料的理化性质和表面形貌。生物玻璃与生理溶液接触时, 存在着密切的离子交换, 生物活性玻璃表面的快速表面反应包
5、括Si、Ca 、P 和Na离子的溶解以及这些离子溶解产物在界面处引起细胞内外的响应。反应的结果是可溶性离子的快速释放和具有高表面积的水化二氧化硅层及多晶含碳羟基磷灰石( hydro xy aptite, HA) 层在玻璃表面的形成 2-4。HA 其结构类似于骨组织中的无机相, 有利于成骨细胞在材料表面附着、增殖和分化以及胶原分子和材料的结合。有人发现生物玻璃表面碳酸化是HA 形成的关键因素。当表面存在CO2 气体和大量的水份时, 能形成液态层面促进碳酸根离子的形成, 也促进Ca2+向玻璃表面迁移 5。表面反应后加强了生长因子的吸附和解吸, 骨前细胞内移到并驻扎在生物活性材料的表面, 刺激产生出
6、各种生长因子, 这些生长因子将促进细胞有丝分裂和细胞间质基质和蛋白的产生。硅在骨代谢中起重要作用。当植入体内生物活性玻璃周围溶出硅离子增多时引起局部钙磷比值增加 6, 这样有利于矿化过程的进行。如果局部钙磷的摩尔比小于51 时, 材料就很难与周围骨形成骨性连接。硅酸还能够提高成骨细胞和成纤维细胞产生型胶原的能力 7, 且对成骨细胞的活力没有负面影响 8。高硅浓度溶液可诱导成骨细胞增殖和在人成骨细胞中转化生长因子-B基因的表达 9 。2生物活性玻璃对成骨细胞基因的调控生物活性玻璃对几种早期响应的基因的激活和生长因子的合成调节了成骨细胞的细胞周期。表明生物活性玻璃通过对基因的直接调控而调节细胞周期
7、的引发和完成, 从而促进了新骨的形成即成骨效应。近来的研究结果表明, 具有生物活性玻璃溶解48 h 后的离子产物细胞培养激活了人成骨细胞大量的转录因子和细胞周期调节因子的表达, 其中包括三个主要的成骨细胞转录因子为c-jun、f r a-1 和c-my c。c-jun 蛋白产物Jun 形成一个带有Fos 蛋白的杂二聚体螫合物, 并且同称作AP1 结合位置的DNA 元素反应。Fo s 基因产物( Fo sB, fr a-1-2) 和jun 基因的产物( c-Jun, JunB-D) 构成转录因子AP1。AP1 的组合序列存在于几种成骨细胞特定基因的启动阶段, 这几种基因包括碱性磷酸酶、骨钙素、胶
8、原酶和A胶原基因。成骨细胞对AP1 转录因子的表达在体内和体外试验中已与表明成骨作用是有关联的。AP1 的表达转录调控也发生在软骨细胞向成骨细胞分裂。在骨形成和骨折愈合时, AP1 表达对软骨内骨形成的早期调节起着至关重要的作用 10 。c-my c 在控制成骨细胞的生长和活力方面起着关键作用。c-my c 通过激活促进生长的基因来促进细胞繁殖, rcl 也能明显地被生物活性玻璃溶解离子产物诱导产生。c-myc 表达受c-my c 转录因子Puf 调节。Puf 也被生物活性玻璃溶解离子所活化。它与c-myc 启动区连接, c-my c 的表达能调控甲状旁腺激素诱导的细胞分化和骨折处的成骨作用。
9、成骨细胞的繁殖和表型的确定是由c-my c 转录因子和AP-1 所促进的, 但主要还是依靠以上所述的完整的细胞周期完成。细胞周期调节基因激酶和细胞周期蛋白K 被生物活性玻璃溶解离子产物所激活, 其增加幅度大于200% 11 。蛋白质与核酸的合成很可能发生错误, 在细胞分裂期间, 为了避免让这样的错误通过, 细胞拥有一个检录机构, 它能辨别细胞是否受损, 凋亡调节基因的活化这表明成骨细胞的这些检录机能被激活。细胞自发地进入有丝分裂凋亡期,细胞死亡。凋亡防止了异常细胞的形成, 是调节功能化成骨细胞选择和繁殖的手段, 用生物玻璃刺激促进的成骨细胞诱发了几种与细胞凋亡有关的重要基因的表达 12, 1
10、3 。3生物活性玻璃的骨诱导性生物活性玻璃对骨的诱导性较强, 骨组织对其反应迅速, 成骨速度快。骨组织中含有多种参与调节骨骼发育及生长的肽类生长因子。生长因子通过自分泌、旁分泌或者内分泌的方式, 在细胞与细胞之间、细胞和细胞外基质之间传递信息, 参与复杂的骨形成过程。生物活性玻璃的颗粒表面缓慢释放的可溶性离子刺激了细胞的自分泌反应, 包括转化生长因子、类胰岛素生长因子、血小板衍生因子及成纤维细胞生长因子等骨诱导分子的分泌 14。转化生长因子可促进骨膜间充质细胞增生和分化, 刺激成骨细胞和软骨细胞增生,胶原、骨连接蛋白和骨桥合成, 诱导膜内成骨和软骨内成骨过程; 成纤维细胞生长因子可能作用于骨诱
11、导初期之一或数个环节, 从征集炎症细胞和干细胞开始, 以软骨形成结束, 并调节软骨内骨化过程。类胰岛生长因子已知是体外成骨细胞繁殖的诱导剂, 局部类胰岛生长因子的使用可直接激发骨的形成 15。4生物玻璃广谱抗菌活性其作用机制可能与pH 值升高、渗透压改变及硅离子浓度的升高有关, 因为生物玻璃会引起局部环境的pH 值和离子浓度异常。Waltimo 等 16 发现随着生物玻璃颗粒的减小,其抗菌活性增加。推测是小颗粒会增加离子的溶出, 从而导致更高的pH 值及钙离子、硅离子浓度。Allan 等 17将粉末状生物玻璃放人含有溶血性链球菌等培养液中, 发现生物玻璃对这些细菌同样具有很强的抗菌活性, 但将
12、溶液碱性中和后其抗菌活性消失, 而将氢氧化钠加人溶液中则可复制抗菌活性, 说明生物玻璃抗菌活性主要与溶液pH 值升高有关。Stcor 等 18 进一步研究发现, 直接将生物玻璃片放在细菌培养皿内, 对细菌并无抑制作用。玻璃片附近pH 值也无变化; ,说明生物玻璃只有放人溶液中, 材料表面发生溶解、离子析出, 引起溶液中离子浓度变化才具有抗菌活性, 材料本身并不具有抗菌活性。Domingues 等 19 采用溶胶-凝胶法室温下制成含四环素的生物玻璃, 体外研究证实对伴放线杆菌的抑菌活性明显高于单纯生物玻璃, 有效释放时间长达3 个月, 且玻璃本身的生物活性不受影响。Meseg ue-olmo 等
13、 20 将生物玻璃和庆大霉素在单轴加压和均衡加压下制成生物玻璃-抗生素混合体并植人兔股骨中, 术后12 周时庆大霉素在局部释放的浓度仍远高于其最低抑菌浓度, 而血清中检测不到庆大霉素, 局部成骨反应良好。所有研究均说明, 生物玻璃作为抗生素载体, 不但具有缓释时间长、释放率高( 远高于其最低抑菌浓度) 的优点, 而且具有良好的生物活性和成骨活性, 是治疗骨髓炎及内固定相关感染的理想选择之一。5生物活性玻璃与其他骨替代材料的比较5. 1与羟基磷灰石的比较HA 是由与人体硬组织( 骨和牙) 的无机质相同的物质构成的。HA 的表面电荷主要是Ca2+ 和OH, 作为植入材料的HA 具有生物相容性及骨引
14、导形成能力好的优点。但不具有骨诱导活性, 仅是起到适合新骨沉积的生理支架作用。由于机体骨长人的速度随其长人种植体深度增加而逐渐降低甚至停止 21。另外, 羟基磷灰石不可吸收, 当新骨形成后HA 框架仍旧起着坚固的支撑作用, 使新骨失去了机械负荷, 因此不利于新骨的再塑形。因而使HA 材料的应用具有一定的局限性。生物玻璃微粒形式的优势在于其成分被新骨组织所利用并和它合为一体参与骨生长。机体对于生物玻璃的迅速反映及正常骨结构的形成都证明临床上它有利于钙质的沉积。5. 2与磷酸三钙的比较磷酸三钙分子式是Ca3 ( PO4 ) 2 ,钙磷比为15, 与正常骨组织的钙磷比接近, 主要用化学合成的方式制备
15、。其生物相容性也非常好, 在骨与材料之间无纤维组织间隔, 最突出的特点是可在生物体内降解, Okuda等 22 的实验发现该材料在植入兔股骨髁后24 周基本完全降解, 而HA 无降解。但它降解速率与新骨形成速率不一致,通常是降解速率大于新骨形成速率, 使新骨失去依托。此外,磷酸三钙的强度较也比较低。6生物活性玻璃材料的缺陷与人体骨组织相比生物活性玻璃仍然存在一定缺陷, 无法完全满足实际应用的要求。其原因如下。a ) 生物活性玻璃含有硅的成分, 硅在体内不能降解并且其代谢机理目前仍不是很清楚, 不论生物玻璃在人体内植入时间的长短, 其最终不可能转化为与人体骨组织类似的物质。而可溶解的磷酸盐玻璃体
16、系一般含钠, 材料降解使得局部离子浓度和pH 值发生较大变动, 影响周边细胞和组织的功能, 并有可能影响体内的离子平衡; b) 基于当前的材料复合技术, 生物活性玻璃与其他组分材料之间主要通过机械复合, 玻璃与基体材料的界面之间的结合力较弱, 导致材料的机械强度较低, 无法与天然骨组织媲美, 限制了材料的广泛应用; c) 生物活性玻璃的降解速度与其他组分材料的降解不匹配, 可能导致材料在使用过程中由于生物活性玻璃的快速降解而在较短时间内使其机械强度大幅度降低, 不利于骨缺损的修复。7生物活性玻璃涂层的研究将金属材料作为基体, 在其表面涂覆生物玻璃涂层, 则材料既可以保持金属基体较高的机械强度, 又具有一定的生物活性, 从而可被用作承重骨的植入替代物。目前可被用作基体材料的金属主要有不锈钢和钛合金, 但是由于不锈钢
