生物玻璃的研究进展及趋势

1、生物玻璃的研究进展及趋势Progress in Research and Development of Bioglass Materials高分子 1201 31207050摘要：生物玻璃是一类性能优良的生物材料，具有良好的生物活性和生物相容性， 作为骨修复植入体可以在材料界面与人体骨组织之间形成化学键合，诱导骨的修 复与再生。本文综述了生物玻璃材料的研究进展、增韧方法、目前的临床应用情 况及相关复合材料，展望了其发展趋势。关键词：生物玻璃；增韧；应用；复合Key words: bioglass;strengthen;application生物玻璃的研究已达二十多年，现已成为材料学、生物化学以

2、及分子生物学 的交叉学科。由于生物玻璃具有人体硬或软生命组织有机联结的特点，在骨科、 牙科、中耳等方面，对人体的伤害部位可进行修护治疗以至康健，其前景可观。 1.生物玻璃发展现状1972 年美国佛罗里达大学教授Dr. Larry Hench发明了 Na2O-CaO-SiO2-P2O5 系统生物玻璃(Bioglass)后，生物玻璃便因与其它惰性生物材料所不同的生物活 性和与人体软组织牢固的结合性以及良好的稳定性而很快引起了人们的广泛关 注。继Hench之后，又有多种生物活性玻璃不断被开发研制出来。 如西德Bromerx 等在生物活性玻璃成分基础上，减少钾、钠含量，增加钙、磷含量，合成了塞拉 维托

3、玻璃1; 1982年，日本京都大学的小久保正等研制成功 A-W微晶玻璃；后在 A-W微晶玻璃中添加少量的Al2O3、B2O3研制成BG6工骨。为满足临床使用 的需要，生物材料必须被加工成一定形状，这就要求所使用的生物材料具有良好 的加工性能。目前，研究较成功的生物玻璃有 SiO2-Na2O-CaO-P2O系统、CaO-P2O5-SiO2 系统、K2O-MgO-SiO2-B2O3-源统等。生物玻璃材料被广泛应用于软骨、硬骨和 肌体组织的修复、替代、再生以及用作大肠、气管、血管等软组织修复所要求的 支架材料，此外还用于人体骨缺损的填充和整形外科手术骨头移植用的支架制造 等方面。生物玻璃材料与具有单

4、一组成的羟基磷灰石(HA)相比虽然具有无可比拟 的优越性，但其机械强度低、韧性差，因此限制了它的广泛应用，要想作为人工 骨的替代品就必须要有良好的断裂韧性和高的强度，为此生物玻璃材料的补强增 韧便成为今后主要的研究方向。.生物玻璃的增韧自增韧由适当组成的玻璃通过控制结晶化制成微晶化玻璃，又称玻璃陶瓷。通过新 品相的析出来提高材料的机械强度。如小久保正的A-W微晶玻璃,通过第二相硅灰石的析出提高了材料的机械强度，而没有降低材料与骨结合的能力3 o黄正杰 等开发的可切削加工玻璃陶瓷则是通过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40自增韧技术的采 用

5、在一定程度提高r玻璃材料的某些力学性能，为实现临床应用带来了可能。颗粒增韧利用生物玻璃或陶瓷与其他颗粒相复合的方法提高整体材料的强度，复合方式有多种，可分为：与活性生物颗粒相复合，作为增强相与轻基磷灰石相复合。 与生物惰性颗粒相复合。选择具有生物活性的生物玻璃为母材与其他惰性颗粒 组成复合材料，从而保存活性提高强度和韧性。纤维增韧碳纤维、碳化硅纤维及金属纤维都被用于生物玻璃陶瓷材料的补强增韧，如将碳纤维切成一定长度的小段，并以水为介质与磷酸钙充分混合，将得到的浆料 球磨混合后真空热压烧结,制得的复合材料最终抗弯强度为 23.6MPa,拉伸变形 率为0.36%,提高了材料的韧性5。层状复合增韧层

6、状复合增韧的核心是将结构陶瓷中的层状增韧机理引入生物材料。用生物活性材料（生物玻璃或HA）为基体材料，引入碳素等延性材料作为夹层材料，制 备胚体，该胚体在氮气保护下热压烧结， 得到基本致密的块体，其断口为阶梯状 断裂，表明复合陶瓷整体在达到最大载荷点后失效不是突变的，而是裂纹在石墨层中扩展，并逐步被吸收，呈Z状扩散，因而避免了脆性断裂。生物活性玻璃涂层生物玻璃加涂士医用金属等的基底上形成的一种涂层材料，其目的在于利用 生物玻璃与骨键合的生物活性以及金属的高强度，构成可承受负载的骨和牙等硬组织替换材料。目前提出的功能梯度涂层即通过增加过渡性涂层，缩小基体与活性涂层间热膨胀性能的差异，从而增强两者

7、之间的结合力，取得了一定的效果。.生物玻璃的应用生物玻璃在牙科治疗中的应用生物玻璃自1985年开始应用于临床修复骨、关节软骨、皮肤和血管损伤。 人工中耳骨ME比生物玻璃材料最早产品，它既可与软组织（耳膜）连接，又可 与骨连接，临床结果显示较好于其他生物陶瓷和金属材料。第二代生物玻璃材料ERMI可用于填补牙根空位,避免牙床萎缩6。ERM与牙床骨连接紧密，较之预 防牙床萎缩的其他材料有更好的疗效。第三代生物玻璃材料早期产品 PerioGlas, 主要用于牙周疾病所致骨缺损重建和拔牙后局部填充。长期临床研究显示， PerioGlas临床效果良好，对人体无不良反应。含 50%#酸的生物玻璃可用于治 疗

8、牙本质过敏和早期釉质幽齿70原因是生物活性玻璃微粒由于与其植入髓室穿 孔处与血液及牙槽骨骨组织接触时，可在瞬间与组织间发生复杂的离子交换，在 生物玻璃表面形成富硅凝胶层，并聚集形成碳酸羟磷灰石层，通过钙磷层的快速 形成并沉积在穿孔区牙周组织内，最终钙化，形成牙骨质和牙周新附着。Bakry等研究含50%#酸的生物玻璃网，结果显示其生物相容性良好，是一种安全的生 物材料。生物玻璃在骨骼修复中的应用生物玻璃在牙科疾病预防和治疗中取得良好临床效果后，随即也应用于骨 科，其产品有固酪生（NovaBone）。生物玻璃力学强度较差，主要用于非承重部 位骨缺损修复。由于生物玻璃表面在人体的生理环境中可发生一系

9、列的化学反 应，并可直接参与人体骨组织的代谢和修复过程，最终可以在材料表面形成与人体相同的无机矿物成分一一碳酸羟基磷灰石 CaO10-（PO4）6（2OH-,CO32-）,并诱 导骨组织的生长，所以可用于人体骨缺损的填充和修复。Ameri等报道在青少年特发性脊柱侧凸患者后路脊柱融合矫形术中分别采用生物玻璃和自体骼峙骨移 植，术后平均随访34.7个月（最短24个月）发现，生物玻璃组临床效果与自体 骼崎骨移植组相同，且可减少自体骼崎骨移植所带来的并发症9 o Seddighi等报 道在颈椎病前路融合术中采用填充生物玻璃和自体骨的钛网，平均随访14.3个月显示，其脊柱融合率与仅填充自体骨的钛网相比基

10、本相同的。生物玻璃在药物载体方面的应用药物治疗载体也是生物玻璃最有前景的应用之一。各种各样的药物储存在多 孔的生物玻璃中，然后植入人体的有关关键部位，随着生物玻璃表面反应的进行， 药物将释放，达到有的放矢的治病目的，与传统的注射方法相比，有均匀、长时 间治疗等众多的优点，有最大效率的疗效。生物玻璃在创口愈合中的应用生物活性玻璃用于促进伤口的愈合也是当今的一个研究方向。国内外的一些专利对此均有涉及。如美国的D.C.格林斯潘等就在其专利中介绍了一种用于加速创 伤和烧伤愈合的组织物，其中就包含有活性玻璃。生物活性玻璃的加速促进创口 愈合的机理为：当该材料植入人体内，在体液的作用下，Na+、Ca2+等

11、活性大的离子首先溶出，体液中的H型入玻璃表面形成Si-OH,然后由于Si-O-Si键破 坏，无规网络被溶解，可溶性硅以硅醇形式被放出，并且迅速在材料分体表面形 成一个羟基磷灰石胶结层。可溶性硅有分子水平结缔组织的代谢作用和结构作 用，生物玻璃溶解后，局部Si浓度的升高可促进细胞新陈代谢的细胞内部相应， 激发促创伤愈合因子的自分泌反应，参与创伤修复的所有细胞在促创伤愈合因子 的自分泌反应，参与创伤修复的所有细胞在促创伤愈合因子的刺激下加速生长和 分裂，并聚集于材料表面形成的羟基磷灰石胶结层，使新生组织能整个创面顺利爬移和覆盖。.复合生物玻璃与高聚物复合的生物玻璃佛罗里达大学对聚研和生物玻璃复合材

12、料进行了研究，分散相可通过研磨等 方法使之显露生物活性表面，以利于人工修复骨材与人骨键合。对生物玻璃和 PMM牌有机骨水泥及其他可用于人体的材料如 HDPE勺复合。研究的报道较多， 复合材料表面也有经基磷灰石析出。有的复合树脂牙中玻璃的加人量甚至可达 92%喊量分数）。与合金复合的生物玻璃由于合金具有自身的优势，仍被广泛用作医用材料。通过等离子喷涂等方法在金 属合金表面涂覆具有生物活性的经基磷灰石或生物玻璃等涂层材料， 是改善医用 合金的生物活性和相容性的有效手段，也是近几年来生物医学材料领域中研究的 热点之一。但临床应用发现植人人体后，涂层会从合金表面剥落，使基体金属和 植人体之间的结合强度

13、急剧下降。主要原因是涂层与金属之间的结合强度较低、 涂层内应力高、涂层不致密、涂层过薄和化学稳定性不佳。为提高化学稳定性， 可在合金基体和涂层间引人一层生物玻璃，其化学性质稳定、形成致密的过渡层。 4.3与纤维复合的生物玻璃生物玻璃与纤维复合后，可改善材料的韧性。Kasuga等采用多阶段处理工 艺得到了高强度的磷酸盐微晶玻璃和 B - Ca(PO3)2纤维复合的材料。对碳纤维增 强微晶玻璃的研究表明：碳纤维的加人，不仅改变了裂纹扩展方向，而且吸收裂 纹扩展过程中产生的能量，使得复合材料的KIC和抗弯强度大大提高，但生物活 性并没有降低。近期研究显示，应用生物活性纤维作为第2相的一部分，很可能

14、制备出与人骨的弹性模量一样的各向异性的生物复合材料。与氧化培复合的生物玻璃在生物玻璃中引入ZrO2的目的是获得高强度的生物材料。对(42%-59%)SiO2-(7%-15%) Li 2O-(4%-5%) P2O5-(15%-28%)ZrO2(质量分数)系统的微晶玻璃，其主品相为Li 3P。4和不同晶型的ZrO2；较高质量分数的ZrO2(20%)和P2O5(10%) 使生物玻璃有很好的力学性能。.展望随着材料科学、生物科学和医疗科学的发展，生物玻璃材料，由于其可以对肌体 组织进行修复、替代与再生，而且具有较高的生物活性、生物相容性和化学稳定 性，必将在医疗技术、仿生科学中得到更多的应用。近年来，

15、研究人员对生物活 性玻璃材料不断改进，制备纳米级的微孔生物材料和有机 /无机复合材料，以有 机改性无机生物材料是生物玻璃材料的发展方向。若在增韧方面取得应用性的进 步，使其可以任意塑性，既具备机械强度又具有力学韧性，必能极大的改善临床上的不足现状。随着研究工作不断深入，对于生物玻璃的各项性能的改进必将取 得更大的进步。参考文献川唐彳#.生物活性玻璃的研究进展J.国际口腔医学杂志，2006,33 (4): 275黄占杰，等.中国生物医学工程学报，2000,19 (1): 663颜正卿，等.无机生物材料.北京大学出版社，19944朱光明，黄占杰，等.硅酸盐学报，1988; 16 (5): 4165师昌绪，等.材料大辞典.北京：化学工业出版社，19946沈健，刘守华.生物玻璃强度性质的改进方法 J.陕西科技大