生物活性玻璃（BG）因其具有良好的成骨性能及生物活性，已成為骨組織工程領域的研究熱點，但其仍然存在細胞黏附性差、載藥量小等不足。介孔生物活性玻璃（MBG）是在生物活性玻璃和介孔二氧化硅（MS）基礎上研制的新型材料，其內部存在大量的納米級孔道，并具有更大的比表面積、更好的生物相容性及生物活性，因而在骨組織工程領域具有極大的應用前景。本文就介孔生物活性玻璃的制備及其實驗研究進展作一綜述，以期為相關研究提供理論基礎與實驗參考。
引用本文： 武敬文, 楊嵐, 李源靜, 郭呂華. 介孔生物活性玻璃研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(4): 647-650. doi: 10.7507/1001-5515.201706091 復制
引言
生物材料應用于骨缺損修復領域已有很長的歷史，現已成為骨修復材料的熱門研究方向，各種不同的生物材料相繼應用于科學研究和臨床試驗。生物活性玻璃（bioactive glass，BG）材料作為骨骼或牙齒替代物植入生物體后，能在植入界面引發特殊的生物學反應，進而與骨組織形成牢固結合的復合體，并具有良好的骨誘導作用[1]，但目前，BG 仍然存在成骨速率低、載藥率低且釋放速率快等不足。介孔生物活性玻璃（mesoporous bioactive glass，MBG） 融合了 BG 和介孔二氧化硅（mesoporous silica，MS）等生物材料的優點，其內部存在大量的納米級孔道，具有明顯的納米材料的獨特性質，同時具有更好的生物相容性及生物活性[2-4]，因而成為 BG 之后廣受研究者們關注的新型材料。在過去的研究中，MBG 的制備方法多種多樣，包括熔融法、微乳法、溶膠凝膠法以及自組裝模板法等，同時在組成成分、表面修飾、孔徑結構、藥物控釋等方面也取得了很大進步，因而在骨組織工程領域表現出極大的潛力，使其受到越來越廣泛的關注[5]。本文就 MBG 的制備及其實驗研究進展作一綜述，以期為相關研究提供理論基礎與實驗參考。
1 MBG 及其制備
介孔材料，根據國際純粹與應用化學聯合會（international union of pure and applied chemistry，IUPAC）的命名原則而言，其孔徑應介于 2～50 nm。最初，研究人員首先研制出純硅介孔材料，而后為了解決純硅介孔材料其生物活性的不確定性問題，開始將介孔材料這一概念引入 BG 用以制備 MBG[6-7]。
當前，常用 MBG 的主要組成成分為 CaO-SiO2-P2O5，現在一般使用溶膠—凝膠加入有機模板自組裝法來制備。具體操作為：首先制備含有所有前體的溶膠［包括：正硅酸乙酯（tetraethyl orthosilicate，TEOS）、磷酸三乙酯（triethyl phosphate，TEP） 、四水硝酸鈣（calcium nitrate tetrahydrate，Ca（NO3）2·4H2O）］并加入某些酸或堿性催化劑以及模板劑，然后在室溫下形成凝膠，模板劑可以自組裝形成膠束，進而膠束的親水部與無機物自組裝形成一個有序的中間相，最后利用高溫熱處理或其他物理化學手段，除去模板劑后留下的空間即為介孔[4-5]。當采用不同的催化試劑（鹽酸、醋酸、氨水等）和不同的模板劑［聚環氧乙烷–聚環氧丙烷–聚環氧乙烷三嵌段共聚物（P123 和 F127）、十六烷基三甲基溴化銨（cetrimonium bromide，CTAB）等］時，也可以獲得不同形狀及孔徑的 MBG（如蠕蟲型、微球型、有序孔徑型）以裝載不同尺寸藥物及生物活性因子[5, 8-10]。同時，此法制備的 MBG 具有較高的表面積，模仿了天然組織的層次結構，并且更接近天然組織生理環境[5]。另外，實驗研究中還可以通過控制 MBG 的孔徑大小及元素比例，改變降解速率、生物學性能及機械學性能，進而滿足各種不同組織再生的需求[11]。
2 MBG 的應用研究
2.1 MBG
以 CaO-SiO2-P2O5 為主要成分的 MBG 材料植入體內后，溶出的無機離子（如硅、磷、鈣等）能夠激活生長因子表達、誘導骨組織細胞往成骨方向分化、促進成骨細胞的增殖等作用；同時，材料表面還會形成類似骨中無機礦物的低結晶度碳酸羥基磷灰石層，進而可與骨硬組織形成牢固的骨性鍵合，起到修復骨組織功能的作用[12-13]。
2.2 改良 MBG
目前，研究者們通過在 MBG 制備過程中加入不同的金屬元素以提升 MBG 的生物活性。趙大洲[14]通過水熱法制得了稀土元素——銪（Eu）摻雜的球狀介孔生物玻璃（Eu-MBG），并研究了其布洛芬（Ibuprofen，IBU）模型藥物分子的裝載和釋放能力。研究結果表明，Eu-MBG 具有球狀形貌和多孔結構，同時具有較大的載藥量和良好的藥物緩釋性能。另外，Eu-MBG 材料中隨著 Eu 含量越高，促成骨效果也不斷提升[15]。此外，MBG 制備過程中，如果加入低濃度的鋱（Tb）或銅（Cu），不僅可以增加其比表面積，加速礦化和骨再生，還能提升材料的抗菌性能且無明顯的細胞毒性[16-17]。
Khan 等[18]、Sriranganathan 等[19]制備了分別添加鍶（Sr）和鋰（Li）的 MBG（Sr-MBG，Li-MBG），研究結果表明，添加 Sr 和 Li 可改變 MBG 的物理化學性質并促進早期體內骨整合和骨重塑，同時可作為生物活性劑，達到加速骨愈合和更好地錨固骨植入物的目的。將 Sr-MBG 支架放入已進行雙側卵巢切除術的骨質疏松的大鼠動物模型體內，與 MBG 支架組和對照組進行比較，用 Sr-MBG 支架治療組的大鼠牙周開窗骨缺損有更大的新骨形成比例（46.67%），而 MBG 支架組和對照組分別為：39.33% 和 17.50%[20]。體外實驗也表明，Sr-MBG 較 MBG 能夠更進一步地促進骨髓間充質干細胞及牙周膜細胞成骨向分化[21]。
除了金屬元素，有研究發現，官能基團修飾后的 MBG 同樣可以提高細胞吸附能力及表面活性。氨基或羧基修飾的 MBG 支架（分別標記為 N-MBG 和 C-MBG），其體外成骨能力增強[22-23]。同時，N-MBG 有更低的降解速率，在促進骨再生中起著至關重要的作用，甚至可以成為潛在的牙本質再生添加劑用于牙齒材料以促進成牙本質細胞分化[23]。
2.3 雜化支架
MBG 的另一應用是在生物支架材料中加入 MBG 制作雜化支架，雜化后的支架在機械性能、載藥及緩釋性能、促進新骨形成的能力等方面均有不同程度的提高[24-29]。絲素蛋白（silk fibroin，SF）多孔支架中加入 MBG，可以提高抗壓強度和抗壓模量，同時加快復合多孔支架表面骨質羥基磷灰石（hydroxylapatite，HA）的沉積速度[27]。相比單純的磷酸鈣骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）支架，MBG 結合 CPC 的混合支架（MBG/CPC）在骨再生的初期有更強的骨整合作用，并且對重組人骨形態發生蛋白-2（recombinant human bone morphogenetic protein-2，rhBMP-2）的緩釋效果更好[30]。
2.4 表面修飾材料
表面涂層在骨替代材料與生物媒介界面之間的相互作用關系中起著重要作用，通過優化改良不同的表面涂層可以獲得理想的支架材料[31]。目前已有多項研究發現，將 MBG 材料作為涂層覆蓋于支架表面能更有效地提高支架的表面生物活性。與單純的硅酸鈣（calcium silicate，CS）支架和聚乳酸—羥基乙酸共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］復合涂層的硅酸鈣（PLGA/CS）支架相比，MBG 與 PLGA 復合涂層的 CS 支架（MBG-PLGA/CS）在模擬體液中具有更好的 HA 礦化活性和機械性能，細胞的附著能力也有所提升，同時還可促進細胞增殖和增加堿性磷酸酶活性[32]。Zhang 等[33]通過三維（three dimension，3D）打印技術在低溫 β 相磷酸三鈣（β-tricalcium phosphate，β-TCP）支架表面分別加上 MBG 和 BG 的納米涂層，形成 MBG-β-TCP 和 BG-β-TCP 支架。與 BG-β-TCP 支架相比，MBG-β-TCP 支架能促進成骨和成血管相關基因表達，更顯著改善 HA 的礦化性能并促進成骨。Zhang 等[34]用 MBG、BG 與氧化鋯（ZrO2）結合，形成 MBG-ZrO2、BG-ZrO2 和 ZrO2 共 3 種涂層材料，分別修飾鈦合金（化學成分：Ti-6Al-4V）。最終體外實驗結果表明，MBG-ZrO2 修飾后的材料成骨作用改善最明顯。
2.5 藥物輸送及控釋載體
MBG 內部存在大量介孔結構，對藥物和生長因子具有較大的裝載量和良好的緩釋作用，是優良的藥物輸送和緩釋載體[4]。
研究者們利用溴代十六烷基吡啶（bromohexadecyl pyridine，CPB）和 CTAB 分別制備出具有放射狀介孔結構的 MBG，簡寫為 CPB-rMBG 和 CTAB-rMBG，兩者對阿霉素的載藥率均超過了 80%[35]。Zhang 等[36]探索 MBG 吸附和釋放帶有125I 標記的骨形態發生蛋白-2（125I-bone morphogenetic protein-2，125I-BMP-2）的能力。長期控釋實驗結果證實，MBG 對125I-BMP-2 有良好吸附能力和延遲釋放能力。
3 展望
大量的實驗研究已經證實，MBG 具有良好的骨傳導性、骨誘導性、生物相容性和生物活性，也是優良的藥物輸送和控釋載體，是一種理想的人工骨材料，但其作為骨組織工程的支架材料，在體內新骨形成、支架材料降解及新陳代謝等方面值得進一步研究。隨著對 MBG 的微觀結構、機械性能、生物活性、體內降解和成骨機制的深入研究，MBG 支架有望作為生長因子和干細胞的載體，借助生物打印技術制成個性化的生物支架修復骨缺損，在未來臨床骨再生手術中發揮更多的應用。
引言
生物材料應用于骨缺損修復領域已有很長的歷史，現已成為骨修復材料的熱門研究方向，各種不同的生物材料相繼應用于科學研究和臨床試驗。生物活性玻璃（bioactive glass，BG）材料作為骨骼或牙齒替代物植入生物體后，能在植入界面引發特殊的生物學反應，進而與骨組織形成牢固結合的復合體，并具有良好的骨誘導作用[1]，但目前，BG 仍然存在成骨速率低、載藥率低且釋放速率快等不足。介孔生物活性玻璃（mesoporous bioactive glass，MBG） 融合了 BG 和介孔二氧化硅（mesoporous silica，MS）等生物材料的優點，其內部存在大量的納米級孔道，具有明顯的納米材料的獨特性質，同時具有更好的生物相容性及生物活性[2-4]，因而成為 BG 之后廣受研究者們關注的新型材料。在過去的研究中，MBG 的制備方法多種多樣，包括熔融法、微乳法、溶膠凝膠法以及自組裝模板法等，同時在組成成分、表面修飾、孔徑結構、藥物控釋等方面也取得了很大進步，因而在骨組織工程領域表現出極大的潛力，使其受到越來越廣泛的關注[5]。本文就 MBG 的制備及其實驗研究進展作一綜述，以期為相關研究提供理論基礎與實驗參考。
1 MBG 及其制備
介孔材料，根據國際純粹與應用化學聯合會（international union of pure and applied chemistry，IUPAC）的命名原則而言，其孔徑應介于 2～50 nm。最初，研究人員首先研制出純硅介孔材料，而后為了解決純硅介孔材料其生物活性的不確定性問題，開始將介孔材料這一概念引入 BG 用以制備 MBG[6-7]。
當前，常用 MBG 的主要組成成分為 CaO-SiO2-P2O5，現在一般使用溶膠—凝膠加入有機模板自組裝法來制備。具體操作為：首先制備含有所有前體的溶膠［包括：正硅酸乙酯（tetraethyl orthosilicate，TEOS）、磷酸三乙酯（triethyl phosphate，TEP） 、四水硝酸鈣（calcium nitrate tetrahydrate，Ca（NO3）2·4H2O）］并加入某些酸或堿性催化劑以及模板劑，然后在室溫下形成凝膠，模板劑可以自組裝形成膠束，進而膠束的親水部與無機物自組裝形成一個有序的中間相，最后利用高溫熱處理或其他物理化學手段，除去模板劑后留下的空間即為介孔[4-5]。當采用不同的催化試劑（鹽酸、醋酸、氨水等）和不同的模板劑［聚環氧乙烷–聚環氧丙烷–聚環氧乙烷三嵌段共聚物（P123 和 F127）、十六烷基三甲基溴化銨（cetrimonium bromide，CTAB）等］時，也可以獲得不同形狀及孔徑的 MBG（如蠕蟲型、微球型、有序孔徑型）以裝載不同尺寸藥物及生物活性因子[5, 8-10]。同時，此法制備的 MBG 具有較高的表面積，模仿了天然組織的層次結構，并且更接近天然組織生理環境[5]。另外，實驗研究中還可以通過控制 MBG 的孔徑大小及元素比例，改變降解速率、生物學性能及機械學性能，進而滿足各種不同組織再生的需求[11]。
2 MBG 的應用研究
2.1 MBG
以 CaO-SiO2-P2O5 為主要成分的 MBG 材料植入體內后，溶出的無機離子（如硅、磷、鈣等）能夠激活生長因子表達、誘導骨組織細胞往成骨方向分化、促進成骨細胞的增殖等作用；同時，材料表面還會形成類似骨中無機礦物的低結晶度碳酸羥基磷灰石層，進而可與骨硬組織形成牢固的骨性鍵合，起到修復骨組織功能的作用[12-13]。
2.2 改良 MBG
目前，研究者們通過在 MBG 制備過程中加入不同的金屬元素以提升 MBG 的生物活性。趙大洲[14]通過水熱法制得了稀土元素——銪（Eu）摻雜的球狀介孔生物玻璃（Eu-MBG），并研究了其布洛芬（Ibuprofen，IBU）模型藥物分子的裝載和釋放能力。研究結果表明，Eu-MBG 具有球狀形貌和多孔結構，同時具有較大的載藥量和良好的藥物緩釋性能。另外，Eu-MBG 材料中隨著 Eu 含量越高，促成骨效果也不斷提升[15]。此外，MBG 制備過程中，如果加入低濃度的鋱（Tb）或銅（Cu），不僅可以增加其比表面積，加速礦化和骨再生，還能提升材料的抗菌性能且無明顯的細胞毒性[16-17]。
Khan 等[18]、Sriranganathan 等[19]制備了分別添加鍶（Sr）和鋰（Li）的 MBG（Sr-MBG，Li-MBG），研究結果表明，添加 Sr 和 Li 可改變 MBG 的物理化學性質并促進早期體內骨整合和骨重塑，同時可作為生物活性劑，達到加速骨愈合和更好地錨固骨植入物的目的。將 Sr-MBG 支架放入已進行雙側卵巢切除術的骨質疏松的大鼠動物模型體內，與 MBG 支架組和對照組進行比較，用 Sr-MBG 支架治療組的大鼠牙周開窗骨缺損有更大的新骨形成比例（46.67%），而 MBG 支架組和對照組分別為：39.33% 和 17.50%[20]。體外實驗也表明，Sr-MBG 較 MBG 能夠更進一步地促進骨髓間充質干細胞及牙周膜細胞成骨向分化[21]。
除了金屬元素，有研究發現，官能基團修飾后的 MBG 同樣可以提高細胞吸附能力及表面活性。氨基或羧基修飾的 MBG 支架（分別標記為 N-MBG 和 C-MBG），其體外成骨能力增強[22-23]。同時，N-MBG 有更低的降解速率，在促進骨再生中起著至關重要的作用，甚至可以成為潛在的牙本質再生添加劑用于牙齒材料以促進成牙本質細胞分化[23]。
2.3 雜化支架
MBG 的另一應用是在生物支架材料中加入 MBG 制作雜化支架，雜化后的支架在機械性能、載藥及緩釋性能、促進新骨形成的能力等方面均有不同程度的提高[24-29]。絲素蛋白（silk fibroin，SF）多孔支架中加入 MBG，可以提高抗壓強度和抗壓模量，同時加快復合多孔支架表面骨質羥基磷灰石（hydroxylapatite，HA）的沉積速度[27]。相比單純的磷酸鈣骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）支架，MBG 結合 CPC 的混合支架（MBG/CPC）在骨再生的初期有更強的骨整合作用，并且對重組人骨形態發生蛋白-2（recombinant human bone morphogenetic protein-2，rhBMP-2）的緩釋效果更好[30]。
2.4 表面修飾材料
表面涂層在骨替代材料與生物媒介界面之間的相互作用關系中起著重要作用，通過優化改良不同的表面涂層可以獲得理想的支架材料[31]。目前已有多項研究發現，將 MBG 材料作為涂層覆蓋于支架表面能更有效地提高支架的表面生物活性。與單純的硅酸鈣（calcium silicate，CS）支架和聚乳酸—羥基乙酸共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］復合涂層的硅酸鈣（PLGA/CS）支架相比，MBG 與 PLGA 復合涂層的 CS 支架（MBG-PLGA/CS）在模擬體液中具有更好的 HA 礦化活性和機械性能，細胞的附著能力也有所提升，同時還可促進細胞增殖和增加堿性磷酸酶活性[32]。Zhang 等[33]通過三維（three dimension，3D）打印技術在低溫 β 相磷酸三鈣（β-tricalcium phosphate，β-TCP）支架表面分別加上 MBG 和 BG 的納米涂層，形成 MBG-β-TCP 和 BG-β-TCP 支架。與 BG-β-TCP 支架相比，MBG-β-TCP 支架能促進成骨和成血管相關基因表達，更顯著改善 HA 的礦化性能并促進成骨。Zhang 等[34]用 MBG、BG 與氧化鋯（ZrO2）結合，形成 MBG-ZrO2、BG-ZrO2 和 ZrO2 共 3 種涂層材料，分別修飾鈦合金（化學成分：Ti-6Al-4V）。最終體外實驗結果表明，MBG-ZrO2 修飾后的材料成骨作用改善最明顯。
2.5 藥物輸送及控釋載體
MBG 內部存在大量介孔結構，對藥物和生長因子具有較大的裝載量和良好的緩釋作用，是優良的藥物輸送和緩釋載體[4]。
研究者們利用溴代十六烷基吡啶（bromohexadecyl pyridine，CPB）和 CTAB 分別制備出具有放射狀介孔結構的 MBG，簡寫為 CPB-rMBG 和 CTAB-rMBG，兩者對阿霉素的載藥率均超過了 80%[35]。Zhang 等[36]探索 MBG 吸附和釋放帶有125I 標記的骨形態發生蛋白-2（125I-bone morphogenetic protein-2，125I-BMP-2）的能力。長期控釋實驗結果證實，MBG 對125I-BMP-2 有良好吸附能力和延遲釋放能力。
3 展望
大量的實驗研究已經證實，MBG 具有良好的骨傳導性、骨誘導性、生物相容性和生物活性，也是優良的藥物輸送和控釋載體，是一種理想的人工骨材料，但其作為骨組織工程的支架材料，在體內新骨形成、支架材料降解及新陳代謝等方面值得進一步研究。隨著對 MBG 的微觀結構、機械性能、生物活性、體內降解和成骨機制的深入研究，MBG 支架有望作為生長因子和干細胞的載體，借助生物打印技術制成個性化的生物支架修復骨缺損，在未來臨床骨再生手術中發揮更多的應用。