新型生物活性玻璃和磷酸钙材料研究进展

1、内容提要：生物活性玻璃和磷酸钙生物陶瓷是重要的硬组织修复材 料，含有与骨、牙齿组织相类似的成分。本文概述了生物活性玻璃和 磷酸钙材料在制备方法及性能研宄方面的一些进展，探讨了其在硬组 织修复方面的应用前景。关键词：生物活性玻璃磷酸钙仿生合成牛.物活性玻璃和磷酸钙生物陶瓷具有优异的生物活性和骨结 合性，主要用于人工骨、人工关节、种植牙和齿科修复领域。生物活 性玻璃是最初由佛罗里达大学的hench教授于19世纪70年代研 制开发出来的具有特定组成且能满足特定生物功能的硅酸盐体系的 特种玻璃材料，其在植入体内后能与骨组织紧密结合，并产生键合作 用而不产生炎症等不良的反应，具有良好的生物相容性和生物活

2、性 36,37，因而引起了众多研究学者的高度关注，并且随着材料制备技 术的发展，生物活性玻璃的制备工艺、化学组成、组织结构以及理化 性能也在不断改进，得到了不断向前的发展，应用前景也越来越广泛。 磷酸钙是磷酸钙盐的总称，能细分为多种的磷酸钙，不同的磷酸钙具 有不同的晶体结构，在磷酸钙盐中最具有代表性的是羟基磷灰石 (ha) (cal0(po4)6(oh)2),是磷酸钙的最稳定的状态，同是也是骨骼和牙齿中含量最多的磷酸钙盐。1.生物活性玻璃研究1.1生物活性玻璃的制备技术1.1.1熔融法生物玻璃熔融法生物玻璃是第一代生物玻璃，也是临床上应用广泛的 生物活性玻璃。熔融法生物玻璃的制备方法与普通玻璃

3、的方法类似， 首先将一定纯度的粉体原料按照一定化学计量比均匀混合，然后将 混合原料在高温条件下（13001500°c）熔融，再将高温熔体在水中 淬冷，最后通过干燥、研磨和过筛得到生物活性玻璃粉体。其中临床 应用最广泛、最具代表性的是45s5生物玻璃，其化学组成（质景比） 为 24.5o/ona2o-24.5o/ocao-45%sio2-6%p2o5 四元系统。研宄发现，45s5 生物玻璃具有良好的生物相容性、高生物活性和优异的骨修复性能， 其产品已在牙科和整形外科等临床中得到很好的应用，如中耳骨修 复、牙周缺损修复以及牙槽脊增高等，并取得良好的治疗效果 31,38-41o但是，熔融法

4、自身却存在一些不容忽视的缺点42,比如 高温熔融工艺能耗较大，生物玻璃中的碱金属成分在高温下易腐蚀坩 锅造成成分污染，研磨过筛进一步导致有害杂质摻杂且导致颗粒形貌 不规则、粒度不均匀，混料不均和分相现象导致成分不均匀，材料呈 块状且致密无孔（如图1）,比表面积小，离子释放和降解速度慢， 不利于新生组织的的长入等。1.1.2溶胶-凝胶生物活性玻璃如上所述，熔融法能耗大、组分不可控、易引入杂质、结构致密、降解慢等缺陷，这些缺陷都可能限制生物活性玻璃的应用前景， 因此，突破高温熔融制备玻璃的限制，找到一种低能耗、反应温和、 组分可控、生物活性高、良好可降解性的合成工艺对生物活性玻璃的 发展具有重要意

5、义。溶胶-凝胶工艺是一种室温条件下制备无机材料的常用工艺 技术，同时此技术制备的粉体存在大量的微孔结构。为了改善熔融生 物玻璃的一系列缺陷，研究者们开始尝试利用溶胶-凝胶工艺制备生 物活性玻璃。20世纪90年代，hench教授研宄组通过溶胶-凝胶工艺成 功制备了生物活性玻璃。以正硅酸乙酯、磷酸三乙酯和硝酸钙为原料 作为si、p、ca的前躯体，在酸性催化剂的作用下，均匀水解形成 生物玻璃溶胶，然后陈化得到生物玻璃凝胶，最后通过热处理去除残 留有机物成功制备出caop2o5-sio2三元系统的生物活性玻璃44。 溶胶-凝胶生物活性玻璃相比于比熔融生物玻璃，结构更加疏松，木 课题组李玉莉43,45对

6、其显微结构表征发现，如图2,溶胶-凝胶生 物活性玻璃是由大量纳米级球形颗粒堆积而成，颗粒堆积形成大景的 微纳米孔，这种多孔的结构也赋予了其更大的比表面积，从而具右更 快的hca形成速度，具有更高的生物活性。并对其微球堆积模型及 孔隙结构进行分析，推测溶胶-凝胶生物玻璃首先由3.1 nm左右的 一级球形纳米粒子相互堆积而成了 10 nm左右的二级球形颗粒，再 由这种二级球形颗粒堆积形成更大的三级球形颗粒，其中颗粒以 ababab.的方式堆积排列，分析模型如图3。溶胶-凝胶工艺的引入，使得生物活性玻璃在结构和性能上 得到了极大的提升。相比于熔融生物玻璃，溶胶-凝胶生物活性玻璃 具有如下优点46,4

7、7:(1) 工艺简单、制备条件更加温和。制备过程基本上是在室 温下进行，后续的热处理温度也不超过800°c，远低于熔融法所需温 度；(2) 化学成分的均匀性可达分子级别。反应溶液充分混合， 使得溶液在约0.5 nm的尺度内达到化学均匀，这同熔融法使用的微 米级粉末原料的混合均匀度相比，提高104105倍；(3) 产品化学纯度高。溶胶-凝胶生物活性玻璃制备采用高纯 度的化学试剂为原料，保证了所得材料的纯度，此外，还避免了高温 熔融时坩锅对玻璃的高温污染；(4) 材料的组成及分子结构可调。通过对材料的组成和分子 结构进行调节设计从而赋予材料特定的理化和生物学特性，以满足特 定的组织修复需

8、求；(5) 具有大量纳米级微孔、比表面积较大，较高的化学活性 和吸附特性，利于复合以及表面功能化或者活性分子的装载，这些性 质对于制备组织修复材料具有重要意义。(6) 易于制备超细粉体、薄膜、涂层、纤维等多种形式的生 物活性玻璃材料，这是利用熔融法难以实现的。基于上述优点，溶胶-凝胶生物活性玻璃被生物材料领域誉 为新一代的生物活性玻璃3。但是溶胶-凝胶法也存在缺陷，虽然材 料结构中存在大量纳米级颗粒，但这些颗粒仍然处于粘结状态，难以 分散开的块状材料。通过研磨和筛分方法进行后期处理，得到的是形 貌不规则且粒度不均匀的微米级颗粒。难以获得形貌可控、颗粒尺寸 均匀的微纳米级生物活性玻璃48,49。

9、1.1.3模板法溶胶-凝胶生物活性玻璃模板法生物活性玻璃是近年来兴起的一类新型生物活性玻璃材料，是以有机化学、胶体化学为基础，模板自组装技术结合溶胶-凝 胶技术的基础上发展起来的。为了解决传统生物活性玻璃结构、形态 不可控的问题，以表面活性剂为结构导向剂或者形态模板剂，它本身 具右特定结构或形态，或者通过自组装能形成特定形态结构，将其引 入到反应体系中，而无机物前躯体聚合形成玻璃网络结构，无机物前 躯体和表面活性剂形成的胶束以均匀的形式在分子水平上自组装成 具有特定结构形貌的有机无机复合聚集体，且随着溶剂的不断蒸发， 从而使表面活性剂-无机前躯体形成的自组装聚集体的浓度越来越 大，最后热处理去

10、掉模板从而得到具右特定结构或者特定形貌的生物 活性玻璃材料50-53。模板法制备生物活性玻璃在近十年间得到了迅速发展，早在 2004年复旦大学赵东元教授课题组54利用溶胶-凝胶工艺结合模 板组装技术，选用三嵌段共聚物p123作为模板剂，首次制备了高度 有序的介孔生物生物活性玻璃，相比于传统的溶胶-凝胶生物活性玻 璃，前者具有更有序的介孔结构，更大的比表面积，也呈现出更快的 磷灰石形成活性，图4为典型的右序介孔生物活性玻璃的透射电镜 照片。本课题组郭常亮等55采用表面活性剂吐温-80作为形态 模板剂合成了生物活性玻璃纳米簇（图5）。生物活性玻璃纳米簇的 宽度约为50120 nm,长度约为2005

11、00 nm。从图中可以观察到纳米 线宽度约为10 nm,堆积形成纳米簇，且堆积排列的纳米线之间存在 几个纳米的介孔孔隙。通过氮气吸附-脱附测试得出生物活性玻璃纳 米簇比表面积较高，达到205.3 m2/g。木课题组雷波56在溶胶-凝胶制备过程中加入聚乙二醇 （peg）作为形态模板剂，通过peg分子中的羟基和硅羟基的相互作 用合成y具有球形形态的微米级生物活性玻璃（图6），微球形貌和 大小可以通过改变peg浓度来调节，且体外矿化表征和细胞学实验 显示规则球形形貌的生物活性玻璃相比无规则的生物玻璃颗粒具有更好的磷灰石形成能力以及促细胞增殖与分化的能力。1.1.4微纳米生物活性玻璃人体天然的组织都具

12、有独特的微纳米结构57,58，如人体牙 釉质是从纳米到微米的七级分级微纳米结构组织，骨组织由微纳米的 胶原纤维和羟基磷灰石组成，细胞外基质也具有典型的微纳米结构， 正因为如此特殊的结构，天然组织具有传统人工合成材料无法比拟 的生物功能优势。从仿生角度出发，这也为新型生物玻璃材料的设计 提供y有益的参考。溶胶-凝胶生物玻璃虽然具有比熔融法生物玻璃 更高的比表面积和生物活性，但其内部颗粒仍处于粘结状态，分散性 差，需研磨、筛分制备粉体颗粒。所得粉体颗粒无规则、易团聚、比 表面积较低、形貌尺寸不易控制，这些缺点影响了其活性离子的释放， 限制了其在组织缺损修复中的应用。如易团聚性导致制备性能稳定的 微

13、纳米复合材料可能性降低，活性离子释放量小；形貌不易控制影响 材料活性离子溶出和对细胞介导作用；颗粒尺寸不可控，降低材料被 组织和细胞吞噬效率，最终降低、基因的负载/转染效率以及成骨介 导活性。近年来国内外倾向于发展具有特定形貌、尺寸均匀、分散性 好、结构可控的微纳米生物活性玻璃材料(micro/nano bioactive glass, mnbg),期望提高生物活性玻璃的组织缺损修复效率、基因和活性 因子装载效率和组织再生能力。显然，采用模板自组装技术与溶胶- 凝胶工艺相结合制备出具有规则形貌、特殊孔结构、特定性能的微纳米生物玻璃是生物活性玻璃材料发展的一个重要方向。然而h前对 mnbg的研宄

14、主要还集中在制备、体外活性表征等方面50,59-63， 关于mnbg的生物学性能的研究还鲜有报道，而将mnbg应用于 牙髓组织损伤修复和再生的研宄则少之又少。1.2生物活性玻璃的组成与结构溶胶-凝胶生物活性玻璃的化学组成不同于熔融法45s5生 物玻璃。相对于后者的na2o-caosio2-p2o5四元系统而言，溶胶-凝 胶生物活性玻璃由于制备条件温和，不需要为降低玻璃熔点而加入碱 金属元素钠，因而组成中去掉了 na2o组分，成为cao-sio2-p2o5三 元系统。而且溶胶-凝胶生物活性玻璃组成可调，sio2含量的上限比 45s5生物玻璃体系要高，图7为生物活性玻璃的三相图，浅色阴影 区域为熔

15、融法生物玻璃，深色阴影区域为溶胶-凝胶生物玻璃，显 然后者的sio2含量显著提高。熔融法生物玻璃中sio2含景一旦超 过60 mol%,材料即丧失生物活性，因为随着sio2含量增高，玻璃 si-0网络的连接程度越高，网络结构更加牢固，材料与体液或者模拟 体液产生离子交换以及结构中的离子扩散越困难，在生理环境中形成 碳酸羟基磷灰石层的能力也下降。而溶胶-凝胶生物玻璃组成中的 sio2含景可达8(01%,仍可保持一定的生物活性64。2007年，0的5 课题组又研制出cao-sio2二元系统溶胶-凝胶生物活性玻璃，组成 中的sio2含量达到90mol%，仍可保持一定的生物活性65。此外，由于溶胶-凝

16、胶工艺对材料的可设计性，不同元素如na、mg、zn、 sr等通过溶胶-凝胶都可添加到生物活性玻璃材料中66-69。除了材料的组成与材料的生物活性有关，材料的结构也影响 着材料的性能。生物活性玻璃的离子释放性能及其体外磷灰石形成能 力与其结构密切相关。虽然不同方法制备的生物活性玻璃可能具有不 同的组成，不同的比表面积等性能，但所右生物活性玻璃均具存类似 的网络结构。首先，生物玻璃的网络结构主要是由硅氧四面体构成， 硅氧四面体中三个氧原子与相邻四面体共用，而磷氧四面体通过 si-0-p键同硅氧四面体相连；丼次，玻璃网络中的ca2+> na+或;k: 他碱金属离子以网络外体的形式存在，并使得玻

17、璃网络结构部分破 坏，形成非桥氧键（onb），非桥氧键数量的增多，使得网络结构更 加疏松，玻璃溶解性增加，从而加快了生物活性玻璃的离子释放速度， 同时也增强了生物活性玻璃的生物活性3,70。生物活性玻璃的结构 示意图如图8所示。13生物活性玻璃的降解与磷灰石形成活性与生物惰性材料相比，生物活性玻璃优势体现在其可降解性和牛/物活性。生物活性玻璃作为一类典型的硅酸盐材料，在体液环境 中会被溶解，同时伴随着玻璃网络结构中的离子释放，导致玻璃网络 骨架的破坏，从而生物活性玻璃发生降解，因此生物活性玻璃是一种 生物可降解材料。同时，生物玻璃的降解过程与其体外诱导磷灰石形 成过程密切相关。在体液环境下，材

18、料中首先右大量的玻璃网络中的 轉、钠等离子释放，与溶液中氢离子快速进行交换，表面形成大量的 硅羟基基团，玻璃结构的si-0-si键断裂，可溶性硅溶岀，材料与溶 液界面形成更多的硅羟基，在这种弱碱环境下，硅羟基聚合形成带负 电的富硅凝胶层，从而吸附钙离子和磷酸根离子沉积在硅凝胶层表 面，形成无定形结构的磷酸钙层；磷酸钙晶化成后变为羟基磷灰石(ha),晶化过程中有碳酸根等进入晶格则形成碳酸羟基磷灰石 (hca)o在整个过程中，材料的离子释放与磷灰石的沉积是同时进行的，随着生物活性玻璃的降解，磷灰石也相继形成。磷灰石层形成 后可吸附周围环境中蛋白分子，利于细胞黏附、增殖及分化后最终形 成骨基质，参与

19、到生命过程中2,29。长久以来，生物活性玻璃在体 液或者模拟体液中诱导ha沉积的能力是评判生物活性玻璃材料生 物活性高低的重要依据64,71。影响磷灰石层形成能力的因素有很 多，其中包括材料组成、材料形态、孔结构、颗粒尺寸及比表面积等 56,72,73。1.4生物活性玻璃的基因激活性能随着对生物活性玻璃材料研宄的不断深入，"生物活性的概念已经不能局限于材料是否具有诱导磷灰石形成的能力，材料是否具 有细胞相容性、是否能刺激细胞发生积极的应答反应等性质也成为生 物活性玻璃材料生物活性的重要评价依据。近年来的研究发现，生物 活性玻璃具存良好的细胞相容性，促进细胞增殖，并诱导成骨细胞分 化，

20、促进骨修复，且关键在于生物活性玻璃具有诱导细胞向成骨分化 的基因激活作用2,74。研究表明，生物玻璃在与水介质接触后，可 溶性si、ca等离子基团释放所形成的局部微环境，有利于刺激成骨 细胞或骨祖细胞的增殖与分化，且当细胞与生物玻璃的溶解物质接触 时，在数小时内便有七种与成骨细胞分化密切相关的基因被激活，说 明生物玻璃具有基因激活性能75,76。还有研究发现生物玻璃释放的 硅、钙等离子可能刺激某条或多条成骨相关的信号通路，从而激活成 骨相关基因的表达和蛋白合成，促进细胞矿化成骨77,78。1.5微纳米颗粒与细胞间的相互作用随着微纳米生物玻璃研宄的兴起，因此全面了解材料与细胞 间的相互作用是微纳

21、米生物活性玻璃的研宄重点。当细胞与颗粒材料 接触后，细胞膜会因为外界刺激而发生响应，进而通过信号因子的传 递导致整个细胞行为的变化79,80。1.5.1颗粒形态的影响随着微纳米颗粒形貌调控技术的发展，微纳米颗粒的形状以 及空间排布对细胞作用的影响越来越受到关注。细胞膜对不同形状微 纳米颗粒的响应存在着差异，在颗粒与细胞接触作用中，细胞膜功能 和膜上分子的运动都会不同程度地受到所吸附的颗粒形状变化的调 控，进而可能影响细胞对颗粒的内吞作用，细胞内吞的发生会诱导细 胞生长和分化等行为的变化80,81】。huang等82研究发现介孔硅材 料会被细胞内吞且与细胞间的相互作用存在着形貌效应，相比球形颗

22、粒，细胞对棒状颗粒存着更多的内吞量和更快的内吞速率，对细胞的 黏附、迁移和增殖等影响更大；xu等83发现针状和短棒的ha纳米 颗粒比球形ha颗粒更容易造成对细胞正常行为的抑制；而对生物活 性玻璃而言，除去细胞内吞作用影响，生物活性玻璃中释放的si和 ca等离子的浓度直接影响到细胞适应性，浓度过低或过高均不利于 细胞正常行为2;而颗粒的形貌、分散性显然影响着其比表面积进 而影响着活性离子的释放，本课题组雷波56研究发现，相比于不规 则形态的生物活性玻璃颗粒相比，具存规则球形形貌的生物活性玻璃 材料因为具有更好的离子释放性能，因为显示出更好的细胞相容性， 更促进细胞增殖和分化。然而，对于具有不同形

23、态如棒状、球形等的 生物活性微纳米颗粒对细胞行为影响比较的研宄还鲜有报道。1.5.2颗粒尺寸的影响尺寸效应是微纳米颗粒研究中最受关注的一个方面，颗粒尺 寸能够显著影响细胞对材料的吞噬作用84,85。当颗粒尺寸足够小时 通过扩散作用自巾通过细胞膜而进入细胞内部，对大颗粒而言，细胞 通过特异性摄取对材料进行内吞。vallhov等86研究发现小尺寸和 低浓度的介孔二氧化硅材料会对细胞的活力、细胞内吞有着更小的影 响；huang等87认力，ha纳米颗粒相比微米颗粒，不仅促进骨髓 间充质干细胞增殖，还能上调成骨相关基因的表达；tobias等88发 现大尺寸(32pn)颗粒明显诱发细胞产生炎症现象，而小尺

24、寸颗粒 (-1 nm)几乎不会诱发细胞出现炎症；同样对于生物活性玻璃而言, 生物活性玻璃颗粒尺寸还影响着其比表面积而降解性能，小尺寸生物 玻璃可能具存更大的比表面积，高的比表面积提供更多的表面吸附位 点，因而增加了表面蛋白和生长因子的吸附，进一步促进了细胞的增殖。本课题组雷波48比较了不同尺寸（40180 nm、400800 nm、 20004000 nm）的生物活性玻璃颗粒对细胞学性能的影响，发现 40-180 nm组具有更高的比表面积，呈现更好的细胞黏附和增殖性能。综上所述，微纳米颗粒的形貌、分散性和尺寸大小都会影响 其与细胞之间的相互作用，而不同材料的颗粒对不同细胞可能会发生 不同的细胞

25、响应行为。因为材料的结构组成、表面电荷、理化性能、 细胞膜组分存在差异性，因此需要根据不同生物需求，选择合适的 材料与细胞进行研究。1.6微景元素摻杂对生物活性玻璃性能的影响前面论述到生物活性玻璃的si、ca、p等离子溶出产物能够刺激成骨细胞或骨祖细胞的增殖与分化，且成骨细胞分化密切相关的 基因被激活。然而除了 si、ca、p等传统生物活性玻璃的主要组成元 素外，一些微量元素同样有着积极的生物学效应，而且溶胶-凝胶工 艺对材料的具有可设计性，因此根据应用需求，一些微量元素如mg、 zn.sr等可通过溶胶-凝胶引入到生物活性玻璃材料中，从而进一步 提高生物活性玻璃的性能。镁（mg）元素是骨代谢过

26、程的重要元素，影响成骨和破骨细 胞的活性，促进骨细胞的增殖和稳定性，刺激新骨形成89,90。有研 究报道，mg摻杂的生物玻璃（mg-bg）由于mg的引入破坏丫玻璃 的网络结构，因而具存更快离子释放速率91。然而，varanasi等92 发现mg-bg的浸提液与细胞共培养，与成骨分化相关的基因如col-i、alp、runx2 表达量上调。锌（zn）元素是重要的微量元素，它参与dna及蛋白的合成， 并通过蛋白合成刺激骨形成，且能够增加atp酶活性，调节成骨分化相关基因如col-i、alp、ocn的表达93,94。有报道发现zno取 代cao而引入到摻生物玻璃（zn-bg），由于zn-0键能达到18

27、0 kj/mol,大于ca-0的键能110 kj/mol，因而zn离了很难从玻璃中洛 出，进一步减缓了 si、ca等离子的释放，也抑制了其磷灰石形成能力95。锶（sr）元素同样是一种人体内重要的微量元素，且与骨组 织间有良好的亲和性96。低剂量的sr能够有效地治疗骨质疏松症, 前药物雷尼酸锶在治疗骨质疏松症上起到良好的效果97,98。研宄 发现，一定量的sr能够促进成骨细胞增殖、分化，同时通过抑制破骨细胞形成防止骨组织再吸收，从而促进新骨的长成99,100。显然，惨入一定量的微量元素可能进一步提高生物活性玻璃的理化性能以及生物学性能，因此在制备过程中掺入某种或几种元素 至生物活性玻璃网络结构中

28、，更好的应用于组织缺损修复也是生物活 性玻璃研宄的一个可行重要方向。1.7生物活性玻璃在齿科修复中的研究生物活性玻璃由于其特有的无机非晶态结构、促进生物矿化以及基因激活等优异性能、被认为是一类优越的骨、齿科修复材料， 生物活性玻璃在骨、齿科修复体已经有了广泛的临床应用。熔融法制 备的生物玻璃骨、齿科修复体现己在许多发达国家应用于临床治疗，收到良好的治疗效果。如植入由牙周病或慢性根尖周炎造成的颌骨缺 损区，能够促进新骨形成、提高人工种植牙与颂骨的结合强度等。将 生物玻璃植入拔牙后形成的牙槽窝，可以防止由于牙槽嵴萎缩给后续 的义齿修复带來的困难101。牙本质和骨均为天然的矿化组织，虽然二者物理属性

29、不同， 但它们之间存类似的组成成分、形成机制和生物学特点，生物活性玻 璃在骨缺损修复中的成功应用也预示着其有可能应用于牙髓组织损 伤的修复再生。0前关于生物活性玻璃在牙髓损伤修复方面的研究还 相对较少。上世纪90年代，研究者尝试将生物活性玻璃作为盖髓材 料。动物实验表明，用45s5生物玻璃盖髓可明确形成牙本质桥，牙 本质桥下方的牙髓炎症轻于用氢氧化钙盖髓。生物活性玻璃盖髓剂能 提供良好的生物矿化微环境，诱导牙髓细胞分化，促进修复性牙本质 形成102。北大米姗姗等人103将溶胶-凝胶生物活性玻璃浸提液与 人牙髓细胞进行体外培养，发现生物玻璃浸提液能促进牙髓细胞增殖 以及alp活性的提高，提示生物

30、活性玻璃与牙髓细胞具有良好的生 物相容性，且对牙髓细胞分化有积极作用。近期右学者报道104将 人牙髓细胞接种于45s5生物活性玻璃支架材料进行体外培养，发现 细胞成骨相关基因如runx 2，ocn等表达量提高，二者共同植入裸 鼠体内能生成骨样矿化物质，提示45s5生物玻璃能够增强人牙髓细 胞的矿化能力。本课题组与北大口腔医学院合作将生物活性玻璃与牙 髓组织复合后裸鼠皮下埋植发现生物活性玻璃对牙髓具存良好的成 牙诱导能力，能够促进牙髓牙本质复合体的生成105。虽然h前关于生物活性玻璃在牙髓损伤修复方面的研究还相 对较少，但从己有的研宄报道可以提示生物活性玻璃在牙髓牙本质再 生方而具有良好的应用前

31、景。内容提要：生物活性玻璃和磷酸钙生物陶瓷是秉要的硬组织修复材 料，含有与骨、牙齿组织相类似的成分。本文概述了生物活性玻璃和 磷酸钙材料在制备方法及性能研究方面的一些进展，探讨了其在硬组 织修复方面的应用前景。关键词：生物活性玻璃磷酸钙仿生合成2.磷酸钙材料研宄进展2.1磷酸钙盐的种类磷酸钙材料具有诸多的优点，常用来骨骼和牙齿等硬组织的 修复材料，其应用的形式主要右三种：块状、颗粒状和作为表面涂层。 例如合成生物活性的骨水泥来修复骨缺损，30在生物惰性金属表面 喷涂表面涂层从而提高植入物的骨整合性和生物相容性31。羟基磷灰石无论是天然形成的还是仿生矿化所形成的都具有 类似的结构，同样是纳米级别

32、的高度组装的材料，在生物学和力学方 面具有其他材料不可比拟的优越性能，例如：生物相容性、骨传导性、 以及好的骨结合能力，并且具有生物可降解性27,28。在骨的矿化过程中，胶原等右机基质不仅作为矿物晶体的框架，其本身还可以起着 活跃的调节剂的作用，而且胶原和生物矿物也存在一定的联系29。 骨中还存在着其他的一些非胶原蛋白对骨的生长、再生、发育有着不 可替代的作用。在羟基磷灰石的生物形成过程中，其结构会变得非常复杂， 并且多数情况下矿物的成分会变得不纯，其中的氢氧根离子会被其他 的离子所取代，造成各元素的非化学计量比，除此之外，磷酸钙类还 包括磷酸三钙（tcp）、磷酸八钙（ocp）、无定形的磷酸钙

33、（acp）等， 丼结构的区别主要來源于ca2+的羟基化、po43-的质子化以及他们 的可溶性，一般情况下，ca/p比在0.52.0之间，ca/p比越低，磷 酸钙盐越易溶于水，并且水溶液越易显酸性34。表1对主要的磷酸 妈盐做了简单的罗列。不同的条件下形成不同的结构，但在一定的情 况的下它们之间能够相互转化。mcpm （一水合磷酸二氢钙）是水溶性的磷酸钙，在水溶液 中具有极强的酸性。它能从具有强酸性的工业用的磷酸肥料中沉淀析 27o当温度高于100x时，会失去结晶水变成磷酸二氢钙（mcpa）。 由于它具有极强的酸性和可溶性，因此，在生物系统的钙化过程中， 人们很难发现它的存在。然而，它可以用在一

34、些医用的生物胶合剂中。 而且作为酸化剂、抗酸剂应用在食品和碳酸饮料中35。mcpa是mcpm失去结晶水的存在形式，结晶所需要的条件与mcpm的基本一样，但要求温度在100x以上，与mcpm 样， 很难在钙化的组织中找到mcpa的存在，目前磷酸二氢钙还没有在医 药领域有过应用，主要被当作农用肥料36,37。dcpd （二水合磷酸氢钙）很容易从水溶液中析出，当温度高 于80°c时，dcpd会失去结晶水转化成磷酸氢钙（dcpa）, dcpd具有非常重要的生理学作用，常引发生物体系中病离钙化，如牙结石、 尿晶症、软骨钙化症、尿结石等。dcpd是骨生物矿化和牙釉质溶解 过程中的中间产物。在外科

35、手术中，二水合磷酸氢钙被用作磷酸钙修 复材料，此外还可以与氟化钠一起作为添加剂加入到牙膏中预防龋齿 的发生38,39;二水合磷酸氢钙还有其他的一些用途，比如用作肥 料、玻璃产品、食物中的补充钙源等。dcpa是dcpd失去水合分子的产物，当温度高于100°c时， 它能从水溶液中结晶析出，与dcpd不同的是，它不会出现在正常或 是病理钙化的组织中，常被用作骨水泥修复材料，还可以作为抛光剂, 营养补充物中韩和磷的补充源40-42 o磷酸八钙是热力学平衡中最稳定的ha的中间相，它结构中 的原子排列与ha中的排列相同，磷灰石层被水分子层分割，ocp是 牙结石和尿结石中十分稳定的成分43-45，

36、它在体外模拟生成生物矿 物中起着非常重要的作用，虽然在血管的钙化过程中并没有发现它的 存在，但却在天生的和人工合成的心脏瓣膜中发现了他的前驱体 46,47 oa -tcp （ a磷酸三钙）在室温条件下处于一种亚稳定的状态，当温度高于1125°c时，可以从0磷酸三钙（p-tcp）中获得， 在水溶液中要比3磷酸三钙有更好的活性，能被水解成其他的磷酸钙 盐变成一种混合物。它不会出现在生物钙化的过程中并且应用有限， 可被用作生物骨水泥原料、肥料。3磷酸三钙不能从溶液中沉淀析出，但可以在800°c以上 时煆烧cdha得到，当温度高于1125时就会转变成a-tcp，3-tcp 在室温下

37、是一种稳定相，在水中的溶解度要比a-tcp低，和a-tcp 样，它不会存在于生物的钙化过程中48，而含镁的3-tcp会出现在 牙结石、尿结石和一些软组织沉积中。在生物医药上，3-tcp同样 可以用作生物骨水泥原料。与ha结合在一起，可以用作生物陶瓷材 料。此外，还可以用作肥料、抛光剂、瓷器和陶器等49,50。acp （无定形的磷酸钙）是一种在溶液中形成磷酸钙物质的过 渡相，在快速混合钙离子和磷离子的过饱和溶液中，通常acp是第 一个析出相，它的化学成分取决于溶液的ph值和钙离子和磷离子的 浓度，例如：有报道称当析出溶液的ph为6.611.7时，acp相中 ca/p比为1.18:11.53:15

38、1,52。acp的结构目前还不明确,它的红 外图谱显示了范围宽、有明显特征的磷酸根的吸收峰，xrd数据显 示其是非晶态的，acp的电镜数据显示它是巾20200nm的球状颗粒 构成的，颗粒的排列呈现出短程有序结构53,54。因此有可能是这些 颗粒太小的原因，造成丫他的非晶态。从生理角度来说，acp常出现 在一些软组织的病理性钙化过程中，例如尿毒症患者的心脏瓣膜的钙 化过程中55,56。在医学上，acp有时可以用作磷酸钙骨水泥,acp与高分子的复合材料能够用于牙齿修复和外科治疗57。cdha （钙缺失羟基磷灰石）可以通过向沸腾的水中同时加入 包含存钙和磷的溶液并沸腾儿个小时的方式获得，在这段时间内

39、，最 初形成的acp或者是ocp （和溶液的ph值有关）会向cdha转化， 继续加热到700°c以上，ca/p比为1.5:1的cdha会转化为p-tcp， ca/p比为大于1.5:1小于1.67:1的cdha会转化为ha与p -tcp的 混合物58,59。由于钙缺失羟基磷灰石是非化学计量比的，其结构中 往往包含其他的离子，这些离子的含量是不确定的，因此造成了 cdha 的结构和晶格常数不确定。cdha可以被看作是ha中一些离子缺失 的磷酸钙，根据cdha化学式可知，在其晶体结构中存在着钙离子和 氢氧根离子的空位。但很少存人知道磷酸根离子的空位是由于磷酸根 的质子化或是被碳酸根离子所取

40、代造成的。不被其他离子取代的 cdha是生物体系中是不存在的，通常ca2+被na+，k+，mg2+取 代；po43-被co32-取代；0h-被f-，ci-取代，这些矿物是人类和 动物正常矿化和病理性矿化的主要产物60,61。因此它是一种非常有 前途的人工骨替代材料。ha （羟基磷灰石）是最稳定的且具有最低的溶解度，它是单 斜晶系，当温度高于250 c就会变成六方晶系62。当f-，ci-取代 oh-,在室温下，单斜晶系就会转化成六方晶系63,64。在实验条件 下，可以在水溶液中通过可以混合相应量的钙和磷离子，并使ph值 保持在9以上，然后在一个完全没有co2的环境中在沸水中沸腾儿 天便可得到ha

41、。单晶ha可以通过水热法合成，也可以通过把ca(0et)2和h3po4加入乙醇利用无水环境合成65,66。由于ha的化学成分与谷歌和牙齿的矿物很相近，常被用作植入物的生物涂层， 以提高材料的生物相容性。ttcp (磷酸四钙)是所有磷酸钙盐中最基本的，它在水中的 溶解度要比ha的要高。而且不能从水溶液中直接析出，只能通过煅 烧的方法合成。ttcp在水溶液中并不十分稳定，会水解成ha和 ca(0h)2,因此在生物体的钙化过程中不会出现ttcp。32,332.2仿生磷酸钙盐生物矿物自然界生物体系中含有的生物矿物，通常具备独特的形态结 构，并巾多级微纳结构经过精密有序组装而形成有机-无机复合材 料，如

42、人体天然硬组织中骨和牙齿等，这些生物性能优异的矿物的成 核和生长主要受机体分泌的有机基质的调控1。生物体内矿化过程中 的有机基质不仅为无机材料的生长提供了成核位点，还可以调控其晶 体学生长方向，控制晶体的形态形貌，决定最终晶体的物相结构2。 因此，探讨生物体内含有的一些有机基质如氨基酸小分子对无机材料 的成核和形貌发展具有重要意义。仿生羟基磷灰石纳米粒子(hap)在尺寸，形貌和组成方面 与天然骨和牙齿的矿物成分非常相似。因此将hap纳米颗粒作为模 型，可系统地研宄正常硬组织矿化如骨和牙齿，和许多不良性病理钙 化如关节软骨化、心脏瓣膜钙化肾结石3的形成发展过程，同时将其 作为一系列生物医学领域(

43、从再生医学和骨组织工程到药物载体)的 多功能材料4-7。因此也提出了用各种有机生物分子作为生物矿化调 节剂调控无机矿物的形核和生长过程8-12。目前，研究者关于生物 体内有机分子对生物矿物的成核和生长的调控方面的机理探讨还不 是很深入，精确调控仿生矿物的形貌结构方面仍存在一定的挑战。hap颗粒的关键性能如强度，对细胞的毒性，骨整合性和生 物可吸收性，强烈依赖材料的微结构一主要是它们的形貌，化学计量 学，晶体学结构和相纯度。然而，对于纳米或微米颗粒來说，与其他 性能特点相比，我们主要关注颗粒的形貌和维度53,59,60。实际上， 在合成晶体粉末方面的一个主要挑战是准确调控晶体的生长，这直接 关系到颗粒最终的微观形态，粒径尺寸分布和几何学形貌，并决定它 们的理化性能和用途。由于工艺条件，表面化学等因素会影响材料的 生物相容性和生物活性，同时也决定了材料的应用领域50,59-62。 因此，通过控制晶体或粒子的形貌，可以扩大纳米粒子的应用范围。 例如，传统hap陶瓷由于右微裂纹结构而力学稳定性比较差，不能 用作整形科和齿科方面的承重材料63-65。而具有多级结构形貌的 hap颗粒的力学性能能显著得到提高23,66。此外，物相的纯度也