生物活性玻璃（BG）具有優良的生物性能且無細胞毒性，可促進骨和軟組織再生，近年來已廣泛應用于人工骨支架的制備。但由于玻璃材料多存在脆性大、機械強度差、易團聚且結構不可控等缺點，使其在各領域中的應用受到限制。對此，當前大多數研究主要聚焦于采用冷凍干燥法、溶膠凝膠法等將其與有機或無機材料進行混合，以改善BG的機械性能及其脆性等，進而增加其臨床應用、拓展其應用領域。本文通過介紹BG與天然有機材料、金屬材料、非金屬材料結合形成復合材料，及進一步開發其作為支架、注射填充劑、膜、水凝膠和涂層等產品的方式，展現了當前領域內制備BG復合材料的最新技術和應用前景。研究分析表明，BG的加入改善了原有材料的機械性能及其生物活性和再生潛力，拓寬了BG在骨組織工程領域的應用。本文通過回顧近年來BG在骨再生研究方面的研究進展，展現了BG在新材料研發領域的潛力，以期為今后的相關研究提供參考借鑒。
引用本文： 彭雨, 蘭梁, 穆君宇, 侯沙, 程麗佳. 基于生物活性玻璃的生物復合材料研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(4): 805-811. doi: 10.7507/1001-5515.202202016 復制
0 引言
由事故、骨腫瘤等原因所致的骨缺損疾病嚴重影響著患者的生存質量，而在骨缺損的治療中，無排斥反應的自體骨移植仍是治療骨缺損的黃金守則，但其來源有限，難以滿足臨床需求[1]。為改善這一現狀，越來越多的學者致力于生物材料的研發，使得促進成骨的仿生人工骨支架和生物膜等逐漸發展起來。與天然骨相比，傳統的人工骨修復材料在力學性能、生物相容性等方面仍存在諸多不足，如羥基磷灰石具有降解速度慢、機械性能差等缺陷；磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP）的脆性較大、難以控制降解時間等[2-3]。相較于傳統的修復材料，生物活性玻璃（bioactive glass，BG）是一種以氧化鈣（calcium oxide，CaO）—二氧化硅（silicon dioxide，SiO2） 為主要成分的骨修復材料，因其在應用過程中可釋放硅（silicon，Si）、磷（phosphorus，P）、鈣（calcium，Ca）等無機離子，由此具有良好的生物活性，并同時具備誘導骨組織細胞成骨分化、促進成骨細胞的基因表達等優勢，是優良的骨缺損修復材料。在不同的BG中，最著名的是硅酸鹽玻璃，它們的CaO和五氧化二磷（phosphorus pentoxide，P2O5）比值高，在支持成骨細胞的增殖和分化功能方面效果更佳[4]。BG可以刺激相關細胞（成纖維細胞、成骨細胞和內皮細胞）釋放血管生成生長因子，促進生長表面形成羥基磷灰石結晶，并加強與周圍組織的結合。此外，通過改變環境或加工、成分等，可使BG的結構和化學成分易于控制，便于為骨組織工程設計出理想的支架。然而，由于BG的機械強度低和脆性大等不足，致使其無法滿足臨床骨科患者需求[5-7]。為提升其自身性能，已有研究表明，在BG中摻雜有機材料和無機材料可在較大程度上改善BG的細胞相容性、骨導電性和促進干細胞向成骨譜系分化。由此提示，將BG與有機、無機材料復合制備即可得到生物相容性良好、機械強度高、可生物降解、可促進骨組織再生的生物醫用材料[8]。本文通過對BG與殼聚糖（chitosan，CS）等11種材料相結合所得到的優良BG復合材料的生物學性能及其應用進展進行綜述，旨在為臨床實踐提供相應的理論支持。
1 生物活性玻璃與天然有機材料復合
1.1 殼聚糖
CS是由隨機分布的D-氨基葡萄糖和n-乙酰-D-氨基葡萄糖形成的天然高分子材料，其化學結構與糖胺聚糖相似，所含的氨基和羥基官能團能增強體內成骨細胞生長、促進骨形成，具有良好的生物相容性、耐熱性，能夠滿足生物醫學行業的需要[9]。但CS生物降解性強、楊氏模量低，容易發生形變，穩定性差，難以單獨應用于骨組織工程。為使材料的機械性能、生物相容性和生物活性發揮協同作用，BG被廣泛添加到CS中用于制備復合材料。BG表面的硅烷醇基團與CS羰基和氨基官能團之間的結合有助于維持BG在CS基質中的均勻分散；BG通過分散外加應力和抑制裂紋擴展，提高了CS/BG復合材料的硬度，由此提高了復合材料的力學性能[10]。CS與BG復合后表現出更強的刺激細胞反應的能力和優良的力學性能，使其可應用于骨組織工程、傷口敷料、牙釉質齲病的治療等。
近年有關CS/BG復合物的研究大多見于骨科、傷口愈合、抗炎等領域。El-Kady等[11]利用冷凍凝膠法制作出的CS/BG支架可優化萬古霉素的傳遞，即將萬古霉素負載于復合支架上，支架的植入使得藥物的釋放受到相應的調控，由此可將其應用于局部骨治療。Oudadesse等[12]制備的CS/BG復合支架，通過掃描電鏡、X射線衍射等明確該復合材料孔隙大，CS在BG納米粒子中分布均勻。模擬體液體外分析顯示該支架具有降解性且已形成磷灰石層，可與骨直接結合。同時，CS/BG支架在傷口敷料、牙齒抗炎領域亦有一定研究進展，Sergi等[13]制作了一種CS/BG創面敷料，其將CS創面敷料的有機基質特性與BG特有的生物特性結合起來，得到了適用于組織愈合的CS復合材料。Zhang等[14]研究發現CS/BG復合物對礦物沉積有促進作用，提示CS/BG復合材料可為早期牙釉質齲病的再礦化和暴露的牙齒組織脫敏提供一種替代的臨床治療策略。
CS與BG結合后的復合材料力學性能大幅提升，二者的結合使得各自的優勢得以充分發揮出來，在較大程度上促進了該復合材料在骨組織工程、牙科、傷口愈合等領域的應用。
1.2 膠原蛋白
膠原蛋白（collagen，Col）是天然聚合物中研究最多的聚合物，其來源廣泛，具有良好的細胞相容性、生物相容性和可降解性，在生物醫學中應用廣泛[15]。Col作為細胞外基質的關鍵成分，可刺激骨細胞的代謝活動，具有促進成骨、抑制炎癥、誘導軟骨分化和提高骨礦物質密度等作用[16]。但Col降解速率較快，機械性能較低，而在其中加入BG可在一定程度上增強其機械性能，從而拓寬其在生物醫學領域的應用范圍。
BG與膠原基復合材料可以改善植入材料的機械性能和生物性能。膠原分子和BG顆粒之間的相互作用有利于形成更穩定的網絡，避免Col過快降解[17]。Bellucci等[18]利用BG的骨粘合能力與Col的生物學優勢相結合，將Col/BG復合材料制作成了三維（three dimension，3D）打印油墨和可注射的膩子類材料，并通過成纖維細胞培養發現該膩子材料呈現出極好的生物相容性；基于其可注射性和可塑型，該材料可廣泛應用于局部骨修復和牙科治療。此外，Ryan等[19]制作的Col/銅（cuprum，Cu）/BG支架可以定向治療骨髓炎，Col自身所具備的抗菌和成骨特性還可使其作為銅離子的傳遞載體，從而代替繁雜的外科清創術和大量的抗生素治療；體外實驗證明該支架具有優良的抗菌活性，同時在雞胚體內模型顯現出極強的成骨和血管生成能力，有利于增強骨骼愈合。Dhinasekaran等[20]制作的Col介孔BG的3D膜具有較強的機械強度、親水性，可原位成形和遞送藥物。該研究通過體外細胞培養實驗表明，培養的成纖維細胞在膜上的細胞排列與天然細胞外骨基質中的細胞排列相似，該膜還支持3D細胞培養，與純Col組相比，該3D膜更能促進細胞增殖，增加堿性磷酸酶及骨鈣素、骨連接素的表達水平，促進成骨。Kajave等[21]研發BG與甲基丙烯酸膠原結合構建的打印墨水，可用于骨組織的3D打印，也可用于仿生結構的3D打印，BG的加入提高了3D打印結構的骨生物活性和細胞活力，提高了人間充質干細胞的堿性磷酸酶活性和成骨活性，使得細胞介導的Ca儲存得到明顯改善。
Col可用于骨再生與重建，與BG復合增強了其機械性能，將其制成墨水后用于仿生結構3D打印生物膜或支架，具有良好的孔隙率，有利于細胞增殖吸附，增加了成骨活性和相關基因的表達。
1.3 絲素蛋白
絲素蛋白（silk fibroin，SF）是一種天然纖維蛋白，具有良好的透氣性和防潮性、高抗拉強度、良好的硬度、生物相容性和降解性，已用于人工韌帶和血管、神經組織、皮膚組織、骨組織等修復[22-23]。但SF缺乏誘導成骨的能力，且再生SF力學性能較低，難以成形，細胞附著能力也不強，無法單獨應用于骨組織工程，而BG具有良好的骨誘導性及優良的軟組織結合能力，二者的結合使得SF的生物活性顯著提高，從而增強基于SF的支架在骨組織工程應用中的潛在用途。
將多孔BG浸泡在SF溶液中，并經冷凍干燥制得SF/BG復合支架，該方法使得BG與SF的結合更加牢固，同時可使材料表面的硅烷醇基團增多，而硅烷醇基團通過不同的官能團與蛋白質結合，產生有利于細胞生長的表面環境[24]。Du等[25]制作的BG/SF復合支架具有優越的抗壓強度、良好的生物相容性和刺激骨形成的能力，同時其體內實驗發現該復合支架可誘導更高的骨標志生成物基因表達。Shen等[26]研究了SF/BG納米顆粒—中藥淫羊藿苷復合材料，實現了淫羊藿苷的長時間釋放，促進骨髓間充質干細胞增殖分化，有望成為一種新的骨移植支架。Manissorn等[27]利用溶膠—凝膠法將BG和SF交聯，支架交聯使得SF的降解速率顯著降低，進行體外模擬實驗有TCP結晶生成，細胞培養實驗呈現出堿性磷酸酶活性高表達及Ca沉積，由此表明該復合支架的促成骨作用。Bidgoli等[28]將間接3D打印技術與冷凍干燥技術相結合，以SF作為天然水溶性聚合物，制備出可控、結構互連的SF/BG復合材料，該支架使得人骨髓干細胞的黏附率增加50%，堿性磷酸酶活性明顯高于純SF支架。
添加BG后的SF可應用于骨組織工程，二者復合制備出的支架表現出良好的抗壓強度、生物相容性和刺激骨形成能力，同時通過體內實驗發現，該復合支架的骨標志生成物基因呈現出高表達，拓寬了其在骨科領域的應用范圍。
1.4 海藻酸鹽
海藻酸鹽（sodium alginate，SA)是一種天然生物高分子，具有良好的生物相容性和可降解性，且成本較低，有較高的利用價值。然而SA生物活性、抗氧化性、機械強度和骨傳導性等性能較差，由此限制了其在生物醫藥領域的應用[29]。在對骨科疾病的治療方面，為了充分發揮SA優良的生物相容性，通過設計出水凝膠SA/BG復合材料，可改良其降解速度，且Si、Ca、P的離子釋放可促進SA交聯并提高復合材料的穩定性，BG可形成堿性環境，從而中和藻酸鹽降解產物，還可提高成骨細胞的活性；此外，SA的羧基官能團可以通過與BG釋放的二價陽離子（Ca2+、Sr2+)進行鍵聯來延緩和減少SA的溶脹[30-31]。此外，該復合材料還可制成有利于組織再生的水凝膠以及通過與3D打印技術相結合來提升藥物釋放的穩定性。
Keshavarz等[32]將SA涂布在BG表面，發現有SA涂層的支架組，細胞生存能力更高，堿性磷酸酶活性也顯著增加，表現出更強的機械性能和生物特性。除應用于骨組織工程外， Zhu等[33]研究了BG/SA制成的水凝膠對皮膚再生的影響，通過鼠源巨噬細胞和小鼠動脈內皮細胞培養發現，用BG/SA制成的水凝膠培養的鼠源巨噬細胞的抗炎因子釋放水平在12 h和24 h時均顯著高于對照組，且細胞更多向M2型巨噬細胞轉換，表明該復合水凝膠可以調節巨噬細胞兩極分化，利于組織再生，同時可調節抗炎基因的表達。上述M2型巨噬細胞又名交替激活巨噬細胞，主要由白介素4炎癥因子激活，主要分泌抗炎細胞因子，在傷口愈合及組織修復等進程中起作用。Zhao等[34]以海藻酸鈉和BG納米球制作復合微球，通過調節兩者的比例來控制BG離子釋放，增加緩釋時間，以促進組織再生。
SA骨傳導性較差，將其與BG結合制成支架可顯著增加機械性能；此外，該復合材料可促進成骨細胞的分化，同時結合3D打印技術有助于提升藥物釋放的穩定性，更能適應臨床需求。
2 生物活性玻璃與生物金屬材料復合
金屬元素是人體不可缺少的成分，在骨形成和骨修復過程中起著重要的作用。將金屬元素與BG材料進行結合有助于改善BG自身的性能缺陷，由此增強材料的綜合性能[35]。目前，此方向仍是國內外有關研究的一大趨勢。
2.1 銅
Cu是人體正常新陳代謝不可缺少的微量元素，參與構成多種酶和蛋白質，同時在機體免疫功能中起著重要的作用，而將一定濃度的Cu摻入BG中有助于促進骨組織修復。Choe 等[36]合成了一種新型的Cu/BG復合納米磷酸鋅水泥，并考察了其機械物理特性和對成牙質細胞的生物學效應；該研究發現Cu/BG復合納米顆粒可增強細胞活性、促進成牙質細胞分化、提高復合材料的機械強度。
Cu能有效抑制細菌增長，基于Cu制備而成的BG復合支架可賦予支架抗炎功能。Rau等[37]將質量百分比為5% 的氧化銅（CuO）添加到BG中，通過建立成骨細胞和巨噬細胞的體外共培養模型，得出Cu2+對炎癥標記物的影響；即采用酶聯免疫吸附測定（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）試劑盒對炎癥標記物（白細胞介素-1 β和白細胞介素-10）水平進行測定，結果顯示含Cu2+的BG抑制了白細胞介素-1 β的產生，同時促進了白細胞介素-10的表達。據此分析表明，含Cu2+的BG復合材料可以抑制促炎白細胞介素的表達，促進抗炎白細胞介素的表達，并可誘導人間充質干細胞的早期分化。
除此之外，Cu/BG復合材料對骨腫瘤的治療也具有重要意義。目前臨床上的化學療法或放射療法還不能完全消除骨腫瘤細胞，且具有較大的副作用；而Cu/BG復合材料的應用則為患者帶來了福音。Chang等[38]成功合成了同時具有成骨生物活性和光熱效應的Cu/BG復合材料，體外實驗證明該Cu/BG復合材料具有優異的載藥性和光熱性能，具有卓越的骨腫瘤治療能力和高效成骨性，為骨腫瘤的治療提供了新的解決方案。
由于Cu優良的生物性能，將Cu摻入BG中不僅彌補了BG脆性大的缺點，而且可以增強其細胞活性、促進骨組織修復，同時還能抑制細菌增長。此外，Cu/BG復合材料在促進軟組織愈合，在傷口愈合和骨腫瘤治療中也有一定的應用前景。
2.2 鍶
鍶（strontium，Sr）是人體不可缺少的微量元素，人體內99%的Sr存在于骨骼中，其具有促進成骨和抑制破骨細胞的雙重作用。Almeida等[39]采用含Sr培養物對成骨細胞進行體外培養實驗，結果顯示其中I型Col、骨橋蛋白和信使核糖核酸的水平均較高，且檢測到較大的骨樣結節，由此證明Sr具有促進成骨細胞的表達并抑制破骨細胞的功能。
嚴思等[40]比較了BG和Sr/BG復合材料的成骨作用。結果顯示，Sr/BG復合材料促礦化和形成膠原能力更強、降解速度更快，Sr元素的摻入顯著提高了BG的生物活性。同時，Sr/BG復合材料對乳牙牙髓干細胞的成牙本質向分化具有促進作用。楊晶晶等[41]將乳牙牙髓干細胞置于含有不同Sr2+濃度的BG浸提液中進行培養，測定結果顯示實驗組（Sr2+濃度為5%的BG浸提液組）的堿性磷酸酶活性、礦化結節含量及成牙本質向分化相關基因的表達均高于對照組（空白對照組、Sr2+濃度為0%的BG浸提液組、不含BG且濃度為5%的Sr2+組）。此外，Sr/BG復合材料通過內吞作用，使得局部顆粒降解到細胞中，由此能夠持續地釋放成骨無機陽離子，進而促進成骨干細胞的成骨分化，為骨再生的可注射治療提供了新的思路[42]。
Sr/BG復合材料顯著提高了材料的生物活性，促進成骨相關基因表達，具有促進成骨和抑制破骨雙重效應。體內體外實驗均表明，Sr/BG復合材料能顯著促進成骨分化。隨著骨修復材料的進一步發展，Sr/BG復合材料將是骨修復材料領域值得關注的研究熱點。
2.3 鎂
鎂（magnesium，Mg）是成骨過程中必要的元素，具有促進骨質發生和血管生成能力，是一種具有應用前景的骨修復生物材料。Mg2+/巨噬細胞調節介質通過信號傳導途徑促進骨髓間充質干細胞的成骨分化[43]。Dittler等[44]采用泡沫復制技術制備了含有Mg和鋅（zinc，Zn）的BG，并進行了模擬體液實驗，結果顯示摻有Mg和Zn的BG能有效提升支架的生物活性。同時通過掃描電鏡圖像觀察到了摻有Mg和Zn的BG與人骨肉瘤細胞（MG-63細胞）之間的相互作用增加，證明Mg和Zn能顯著增強BG的生物學性能。
Bellucci等[45]通過燒結含Ca的BG并加入純Mg、Sr或Mg/Sr來制備新型二元復合材料支架，并將其用于小鼠顱骨前骨細胞培養，實驗結果顯示該復合支架能夠良好支持前骨細胞的增殖和黏附，其中Mg/Sr雙摻雜復合材料支架促進前骨細胞分化效果更好。除了具有良好的生物活性和生物相容性外，在BG中引入Mg還可以提高復合材料的機械性能。在純聚己內酯（polycaprolactone，PCL）支架中加入Mg/BG復合材料后，其機械性能得到顯著提高，由此可用于宿主骨小梁的機械支撐[46]。
在BG中摻入Mg不僅能夠促進骨質發生和血管生成，且可有效提高BG的抗彎強度，彌補了BG在機械性能上的不足；同時，該復合材料具有良好的生物相容性和成骨活性，由此提示摻雜有Mg的BG復合材料在生物醫學領域具有極大發展潛力。
2.4 鈰
已知含鈰（cerium，Ce）的BG可減少體內的活性氧活動，這是因為Ce3＋/Ce4＋氧化態的快速交換，使其具有良好的催化活性。實驗表明，Ce/BG復合材料還可作為環丙沙星的輸送系統，減少骨感染并發癥；此外，添加Ce能促進羥基磷灰石層的形成，增強成骨細胞活力[47]。張青山[48]采用水熱法制備了梭形二氧化鈰（CeO2），通過模擬體液浸泡方法評估了CeO2的體外生物活性。通過掃描電鏡、X射線衍射能譜和紅外光譜分析，明確在CeO2表面形成了一層羥基磷灰石，由此提示該梭形CeO2具有良好的生物活性。Ce/BG復合納米顆粒不僅可刺激人成骨肉瘤細胞中成骨基因表達，還可以刺激原始骨細胞外基質的形成和鈣化(calcification)及人間充質基質細胞的細胞成骨分化[49]。此外，Ce/BG復合納米顆粒可抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，但對人骨肉瘤細胞無細胞毒性[50]。
Ce/BG復合材料具有顯著的抑菌效應，同時可作為環丙沙星的輸送系統, 有效減少骨感染并發癥；此外，Ce/BG復合材料還具有良好的生物活性，能增強成骨細胞活力。
3 生物活性玻璃與非金屬材料復合
3.1 硼/硼酸鹽
硼（boron，B）在人體中起著重要作用，能夠影響骨的強度、形狀和礦物成分組成等。硼酸鹽/BG可促進骨細胞生長，在骨修復方面顯示出了較大的生物學優勢。Zhang等[51]通過溶膠—凝膠工藝和3D打印技術制備了硼/BG下頜骨植入物，經體外礦化實驗表明，在42 d后，可見大量羥基磷灰石層形成。細胞毒性研究表明，用硼/BG復合支架離子溶解產物培養骨髓間充質干細胞，在高濃度離子溶解產物中表現出一定程度的毒性，但其生物相容性仍優于羥基磷灰石。
賈偉濤等[52]制備了治療骨髓炎的BG載體系統，其將替考拉寧緩釋載入硼酸鹽/BG/CS復合材料中，同時通過高效液相色譜儀檢測其抗生素釋放濃度，結果表明硼酸鹽/BG/CS復合材料是替考拉寧長期有效的緩釋載體，并可促進骨組織形成。
硼優異的生物活性使其能夠在骨組織工程領域發揮重要作用。硼/BG復合材料提高了其成骨性能，且生物相容性良好。硼/BG復合材料還可通過作為替考拉寧長期有效的緩釋載體來治療骨髓炎。
3.2 石墨烯
石墨烯是一種無毒副作用、能促進骨組織發生的一種新型材料，石墨烯的這一特性可使其在骨組織修復中發揮重要作用。石墨烯/BG支架不僅抑菌效果好、生物活性高，同時在促進局部血管生成和骨愈合方面效果較為顯著；此外，該支架的三維結構可供骨髓間充質干細胞黏附，促進其增殖、分化，其在模擬體液中能夠快速形成羥基磷灰石層，具有廣泛的應用前景[53-54]。Yao等[55]合成了石墨烯/58S BG支架，將石墨烯的高度機械穩定性和導電性與58S BG出色的生物活性和生物相容性結合在一起，顯著提高了羥基磷灰石的形成能力。同時，通過模擬體液測試證實石墨烯/58S BG支架具有較強的生物活性、生物相容性。de Vasconcellos等[56]合成了石墨烯/BG支架，通過模擬體液檢測其性能。結果表明，該支架不僅對骨髓間充質干細胞無毒性反應，還能促進其增殖，表現出優良的成骨分化。
石墨烯/BG支架在骨組織工程中具有廣泛的應用前景。其抑菌效果好、生物活性高，同時具有良好的生物相容性。石墨烯/BG復合支架不僅提高了BG的硬度和楊氏模量，同時還保留了良好的導電性。
4 總結
BG復合材料作為一種理想的人工醫用材料，在臨床上得到了廣泛的研究和應用，彌補了玻璃材料機械強度較差和脆性較大的缺陷，并提高了復合材料的生物活性和成骨性能，從而實現機械力學性能和生物活性的雙重優化。BG與天然有機材料的結合提高了材料的力學性能和成骨能力，使其更有助于解決臨床中的問題。在與無機材料復合后，無機元素的摻雜使BG具有更佳的抗菌、成骨效果，同時有助于BG離子的緩釋。BG復合材料具有良好的生物活性且無細胞毒性，同時其機械性能優良，在誘導骨組織細胞成骨分化方面效果顯著，這些優勢使其在骨腫瘤治療、軟組織愈合、細菌抑制、藥物緩釋等領域具有較大的潛力。但當BG含量超過閾值時，復合材料的強度和細胞生長會受到影響。在開發復合材料時，應考慮BG作為原料與良好的力學性能之間的適當平衡。因此，未來研究應適當著眼于BG與不同材料組合的最佳配比，以實現良好的機械性能和生物性能的結合；同時為了進一步避免植入后的不良反應，還需要對BG復合材料植入后的反應開展更多的研究。在體外實驗中，關于BG復合材料的研究細胞系大多局限于骨髓間充質干細胞、牙髓干細胞等，如需深入研究可以考慮對不同細胞系的進一步研究，以獲得BG復合材料的成骨、血管生成等能力的相關數據。此外，若能更好地了解BG復合材料影響各類細胞活化和行為的機制，將有助于優化具有特定生物反應的復合材料的生產。在臨床研究方面，了解BG的體內生物學行為機制，有助于拓寬其在臨床實踐中的應用。總體來說，基于BG的復合材料的優良的綜合性能大大提高了其臨床應用價值，在骨組織工程領域顯示出極大發展潛力。但是尋找更合適的復合材料，探究如何添加其他成分組成，以及開發出其他治療功能，仍需更深一步的研究。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：彭雨、蘭梁負責資料收集、文章撰寫、文章修改；程麗佳、侯沙、穆君宇對文章框架和主題提供了指導性的意見，并負責文章修改。
0 引言
由事故、骨腫瘤等原因所致的骨缺損疾病嚴重影響著患者的生存質量，而在骨缺損的治療中，無排斥反應的自體骨移植仍是治療骨缺損的黃金守則，但其來源有限，難以滿足臨床需求[1]。為改善這一現狀，越來越多的學者致力于生物材料的研發，使得促進成骨的仿生人工骨支架和生物膜等逐漸發展起來。與天然骨相比，傳統的人工骨修復材料在力學性能、生物相容性等方面仍存在諸多不足，如羥基磷灰石具有降解速度慢、機械性能差等缺陷；磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP）的脆性較大、難以控制降解時間等[2-3]。相較于傳統的修復材料，生物活性玻璃（bioactive glass，BG）是一種以氧化鈣（calcium oxide，CaO）—二氧化硅（silicon dioxide，SiO2） 為主要成分的骨修復材料，因其在應用過程中可釋放硅（silicon，Si）、磷（phosphorus，P）、鈣（calcium，Ca）等無機離子，由此具有良好的生物活性，并同時具備誘導骨組織細胞成骨分化、促進成骨細胞的基因表達等優勢，是優良的骨缺損修復材料。在不同的BG中，最著名的是硅酸鹽玻璃，它們的CaO和五氧化二磷（phosphorus pentoxide，P2O5）比值高，在支持成骨細胞的增殖和分化功能方面效果更佳[4]。BG可以刺激相關細胞（成纖維細胞、成骨細胞和內皮細胞）釋放血管生成生長因子，促進生長表面形成羥基磷灰石結晶，并加強與周圍組織的結合。此外，通過改變環境或加工、成分等，可使BG的結構和化學成分易于控制，便于為骨組織工程設計出理想的支架。然而，由于BG的機械強度低和脆性大等不足，致使其無法滿足臨床骨科患者需求[5-7]。為提升其自身性能，已有研究表明，在BG中摻雜有機材料和無機材料可在較大程度上改善BG的細胞相容性、骨導電性和促進干細胞向成骨譜系分化。由此提示，將BG與有機、無機材料復合制備即可得到生物相容性良好、機械強度高、可生物降解、可促進骨組織再生的生物醫用材料[8]。本文通過對BG與殼聚糖（chitosan，CS）等11種材料相結合所得到的優良BG復合材料的生物學性能及其應用進展進行綜述，旨在為臨床實踐提供相應的理論支持。
1 生物活性玻璃與天然有機材料復合
1.1 殼聚糖
CS是由隨機分布的D-氨基葡萄糖和n-乙酰-D-氨基葡萄糖形成的天然高分子材料，其化學結構與糖胺聚糖相似，所含的氨基和羥基官能團能增強體內成骨細胞生長、促進骨形成，具有良好的生物相容性、耐熱性，能夠滿足生物醫學行業的需要[9]。但CS生物降解性強、楊氏模量低，容易發生形變，穩定性差，難以單獨應用于骨組織工程。為使材料的機械性能、生物相容性和生物活性發揮協同作用，BG被廣泛添加到CS中用于制備復合材料。BG表面的硅烷醇基團與CS羰基和氨基官能團之間的結合有助于維持BG在CS基質中的均勻分散；BG通過分散外加應力和抑制裂紋擴展，提高了CS/BG復合材料的硬度，由此提高了復合材料的力學性能[10]。CS與BG復合后表現出更強的刺激細胞反應的能力和優良的力學性能，使其可應用于骨組織工程、傷口敷料、牙釉質齲病的治療等。
近年有關CS/BG復合物的研究大多見于骨科、傷口愈合、抗炎等領域。El-Kady等[11]利用冷凍凝膠法制作出的CS/BG支架可優化萬古霉素的傳遞，即將萬古霉素負載于復合支架上，支架的植入使得藥物的釋放受到相應的調控，由此可將其應用于局部骨治療。Oudadesse等[12]制備的CS/BG復合支架，通過掃描電鏡、X射線衍射等明確該復合材料孔隙大，CS在BG納米粒子中分布均勻。模擬體液體外分析顯示該支架具有降解性且已形成磷灰石層，可與骨直接結合。同時，CS/BG支架在傷口敷料、牙齒抗炎領域亦有一定研究進展，Sergi等[13]制作了一種CS/BG創面敷料，其將CS創面敷料的有機基質特性與BG特有的生物特性結合起來，得到了適用于組織愈合的CS復合材料。Zhang等[14]研究發現CS/BG復合物對礦物沉積有促進作用，提示CS/BG復合材料可為早期牙釉質齲病的再礦化和暴露的牙齒組織脫敏提供一種替代的臨床治療策略。
CS與BG結合后的復合材料力學性能大幅提升，二者的結合使得各自的優勢得以充分發揮出來，在較大程度上促進了該復合材料在骨組織工程、牙科、傷口愈合等領域的應用。
1.2 膠原蛋白
膠原蛋白（collagen，Col）是天然聚合物中研究最多的聚合物，其來源廣泛，具有良好的細胞相容性、生物相容性和可降解性，在生物醫學中應用廣泛[15]。Col作為細胞外基質的關鍵成分，可刺激骨細胞的代謝活動，具有促進成骨、抑制炎癥、誘導軟骨分化和提高骨礦物質密度等作用[16]。但Col降解速率較快，機械性能較低，而在其中加入BG可在一定程度上增強其機械性能，從而拓寬其在生物醫學領域的應用范圍。
BG與膠原基復合材料可以改善植入材料的機械性能和生物性能。膠原分子和BG顆粒之間的相互作用有利于形成更穩定的網絡，避免Col過快降解[17]。Bellucci等[18]利用BG的骨粘合能力與Col的生物學優勢相結合，將Col/BG復合材料制作成了三維（three dimension，3D）打印油墨和可注射的膩子類材料，并通過成纖維細胞培養發現該膩子材料呈現出極好的生物相容性；基于其可注射性和可塑型，該材料可廣泛應用于局部骨修復和牙科治療。此外，Ryan等[19]制作的Col/銅（cuprum，Cu）/BG支架可以定向治療骨髓炎，Col自身所具備的抗菌和成骨特性還可使其作為銅離子的傳遞載體，從而代替繁雜的外科清創術和大量的抗生素治療；體外實驗證明該支架具有優良的抗菌活性，同時在雞胚體內模型顯現出極強的成骨和血管生成能力，有利于增強骨骼愈合。Dhinasekaran等[20]制作的Col介孔BG的3D膜具有較強的機械強度、親水性，可原位成形和遞送藥物。該研究通過體外細胞培養實驗表明，培養的成纖維細胞在膜上的細胞排列與天然細胞外骨基質中的細胞排列相似，該膜還支持3D細胞培養，與純Col組相比，該3D膜更能促進細胞增殖，增加堿性磷酸酶及骨鈣素、骨連接素的表達水平，促進成骨。Kajave等[21]研發BG與甲基丙烯酸膠原結合構建的打印墨水，可用于骨組織的3D打印，也可用于仿生結構的3D打印，BG的加入提高了3D打印結構的骨生物活性和細胞活力，提高了人間充質干細胞的堿性磷酸酶活性和成骨活性，使得細胞介導的Ca儲存得到明顯改善。
Col可用于骨再生與重建，與BG復合增強了其機械性能，將其制成墨水后用于仿生結構3D打印生物膜或支架，具有良好的孔隙率，有利于細胞增殖吸附，增加了成骨活性和相關基因的表達。
1.3 絲素蛋白
絲素蛋白（silk fibroin，SF）是一種天然纖維蛋白，具有良好的透氣性和防潮性、高抗拉強度、良好的硬度、生物相容性和降解性，已用于人工韌帶和血管、神經組織、皮膚組織、骨組織等修復[22-23]。但SF缺乏誘導成骨的能力，且再生SF力學性能較低，難以成形，細胞附著能力也不強，無法單獨應用于骨組織工程，而BG具有良好的骨誘導性及優良的軟組織結合能力，二者的結合使得SF的生物活性顯著提高，從而增強基于SF的支架在骨組織工程應用中的潛在用途。
將多孔BG浸泡在SF溶液中，并經冷凍干燥制得SF/BG復合支架，該方法使得BG與SF的結合更加牢固，同時可使材料表面的硅烷醇基團增多，而硅烷醇基團通過不同的官能團與蛋白質結合，產生有利于細胞生長的表面環境[24]。Du等[25]制作的BG/SF復合支架具有優越的抗壓強度、良好的生物相容性和刺激骨形成的能力，同時其體內實驗發現該復合支架可誘導更高的骨標志生成物基因表達。Shen等[26]研究了SF/BG納米顆粒—中藥淫羊藿苷復合材料，實現了淫羊藿苷的長時間釋放，促進骨髓間充質干細胞增殖分化，有望成為一種新的骨移植支架。Manissorn等[27]利用溶膠—凝膠法將BG和SF交聯，支架交聯使得SF的降解速率顯著降低，進行體外模擬實驗有TCP結晶生成，細胞培養實驗呈現出堿性磷酸酶活性高表達及Ca沉積，由此表明該復合支架的促成骨作用。Bidgoli等[28]將間接3D打印技術與冷凍干燥技術相結合，以SF作為天然水溶性聚合物，制備出可控、結構互連的SF/BG復合材料，該支架使得人骨髓干細胞的黏附率增加50%，堿性磷酸酶活性明顯高于純SF支架。
添加BG后的SF可應用于骨組織工程，二者復合制備出的支架表現出良好的抗壓強度、生物相容性和刺激骨形成能力，同時通過體內實驗發現，該復合支架的骨標志生成物基因呈現出高表達，拓寬了其在骨科領域的應用范圍。
1.4 海藻酸鹽
海藻酸鹽（sodium alginate，SA)是一種天然生物高分子，具有良好的生物相容性和可降解性，且成本較低，有較高的利用價值。然而SA生物活性、抗氧化性、機械強度和骨傳導性等性能較差，由此限制了其在生物醫藥領域的應用[29]。在對骨科疾病的治療方面，為了充分發揮SA優良的生物相容性，通過設計出水凝膠SA/BG復合材料，可改良其降解速度，且Si、Ca、P的離子釋放可促進SA交聯并提高復合材料的穩定性，BG可形成堿性環境，從而中和藻酸鹽降解產物，還可提高成骨細胞的活性；此外，SA的羧基官能團可以通過與BG釋放的二價陽離子（Ca2+、Sr2+)進行鍵聯來延緩和減少SA的溶脹[30-31]。此外，該復合材料還可制成有利于組織再生的水凝膠以及通過與3D打印技術相結合來提升藥物釋放的穩定性。
Keshavarz等[32]將SA涂布在BG表面，發現有SA涂層的支架組，細胞生存能力更高，堿性磷酸酶活性也顯著增加，表現出更強的機械性能和生物特性。除應用于骨組織工程外， Zhu等[33]研究了BG/SA制成的水凝膠對皮膚再生的影響，通過鼠源巨噬細胞和小鼠動脈內皮細胞培養發現，用BG/SA制成的水凝膠培養的鼠源巨噬細胞的抗炎因子釋放水平在12 h和24 h時均顯著高于對照組，且細胞更多向M2型巨噬細胞轉換，表明該復合水凝膠可以調節巨噬細胞兩極分化，利于組織再生，同時可調節抗炎基因的表達。上述M2型巨噬細胞又名交替激活巨噬細胞，主要由白介素4炎癥因子激活，主要分泌抗炎細胞因子，在傷口愈合及組織修復等進程中起作用。Zhao等[34]以海藻酸鈉和BG納米球制作復合微球，通過調節兩者的比例來控制BG離子釋放，增加緩釋時間，以促進組織再生。
SA骨傳導性較差，將其與BG結合制成支架可顯著增加機械性能；此外，該復合材料可促進成骨細胞的分化，同時結合3D打印技術有助于提升藥物釋放的穩定性，更能適應臨床需求。
2 生物活性玻璃與生物金屬材料復合
金屬元素是人體不可缺少的成分，在骨形成和骨修復過程中起著重要的作用。將金屬元素與BG材料進行結合有助于改善BG自身的性能缺陷，由此增強材料的綜合性能[35]。目前，此方向仍是國內外有關研究的一大趨勢。
2.1 銅
Cu是人體正常新陳代謝不可缺少的微量元素，參與構成多種酶和蛋白質，同時在機體免疫功能中起著重要的作用，而將一定濃度的Cu摻入BG中有助于促進骨組織修復。Choe 等[36]合成了一種新型的Cu/BG復合納米磷酸鋅水泥，并考察了其機械物理特性和對成牙質細胞的生物學效應；該研究發現Cu/BG復合納米顆粒可增強細胞活性、促進成牙質細胞分化、提高復合材料的機械強度。
Cu能有效抑制細菌增長，基于Cu制備而成的BG復合支架可賦予支架抗炎功能。Rau等[37]將質量百分比為5% 的氧化銅（CuO）添加到BG中，通過建立成骨細胞和巨噬細胞的體外共培養模型，得出Cu2+對炎癥標記物的影響；即采用酶聯免疫吸附測定（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）試劑盒對炎癥標記物（白細胞介素-1 β和白細胞介素-10）水平進行測定，結果顯示含Cu2+的BG抑制了白細胞介素-1 β的產生，同時促進了白細胞介素-10的表達。據此分析表明，含Cu2+的BG復合材料可以抑制促炎白細胞介素的表達，促進抗炎白細胞介素的表達，并可誘導人間充質干細胞的早期分化。
除此之外，Cu/BG復合材料對骨腫瘤的治療也具有重要意義。目前臨床上的化學療法或放射療法還不能完全消除骨腫瘤細胞，且具有較大的副作用；而Cu/BG復合材料的應用則為患者帶來了福音。Chang等[38]成功合成了同時具有成骨生物活性和光熱效應的Cu/BG復合材料，體外實驗證明該Cu/BG復合材料具有優異的載藥性和光熱性能，具有卓越的骨腫瘤治療能力和高效成骨性，為骨腫瘤的治療提供了新的解決方案。
由于Cu優良的生物性能，將Cu摻入BG中不僅彌補了BG脆性大的缺點，而且可以增強其細胞活性、促進骨組織修復，同時還能抑制細菌增長。此外，Cu/BG復合材料在促進軟組織愈合，在傷口愈合和骨腫瘤治療中也有一定的應用前景。
2.2 鍶
鍶（strontium，Sr）是人體不可缺少的微量元素，人體內99%的Sr存在于骨骼中，其具有促進成骨和抑制破骨細胞的雙重作用。Almeida等[39]采用含Sr培養物對成骨細胞進行體外培養實驗，結果顯示其中I型Col、骨橋蛋白和信使核糖核酸的水平均較高，且檢測到較大的骨樣結節，由此證明Sr具有促進成骨細胞的表達并抑制破骨細胞的功能。
嚴思等[40]比較了BG和Sr/BG復合材料的成骨作用。結果顯示，Sr/BG復合材料促礦化和形成膠原能力更強、降解速度更快，Sr元素的摻入顯著提高了BG的生物活性。同時，Sr/BG復合材料對乳牙牙髓干細胞的成牙本質向分化具有促進作用。楊晶晶等[41]將乳牙牙髓干細胞置于含有不同Sr2+濃度的BG浸提液中進行培養，測定結果顯示實驗組（Sr2+濃度為5%的BG浸提液組）的堿性磷酸酶活性、礦化結節含量及成牙本質向分化相關基因的表達均高于對照組（空白對照組、Sr2+濃度為0%的BG浸提液組、不含BG且濃度為5%的Sr2+組）。此外，Sr/BG復合材料通過內吞作用，使得局部顆粒降解到細胞中，由此能夠持續地釋放成骨無機陽離子，進而促進成骨干細胞的成骨分化，為骨再生的可注射治療提供了新的思路[42]。
Sr/BG復合材料顯著提高了材料的生物活性，促進成骨相關基因表達，具有促進成骨和抑制破骨雙重效應。體內體外實驗均表明，Sr/BG復合材料能顯著促進成骨分化。隨著骨修復材料的進一步發展，Sr/BG復合材料將是骨修復材料領域值得關注的研究熱點。
2.3 鎂
鎂（magnesium，Mg）是成骨過程中必要的元素，具有促進骨質發生和血管生成能力，是一種具有應用前景的骨修復生物材料。Mg2+/巨噬細胞調節介質通過信號傳導途徑促進骨髓間充質干細胞的成骨分化[43]。Dittler等[44]采用泡沫復制技術制備了含有Mg和鋅（zinc，Zn）的BG，并進行了模擬體液實驗，結果顯示摻有Mg和Zn的BG能有效提升支架的生物活性。同時通過掃描電鏡圖像觀察到了摻有Mg和Zn的BG與人骨肉瘤細胞（MG-63細胞）之間的相互作用增加，證明Mg和Zn能顯著增強BG的生物學性能。
Bellucci等[45]通過燒結含Ca的BG并加入純Mg、Sr或Mg/Sr來制備新型二元復合材料支架，并將其用于小鼠顱骨前骨細胞培養，實驗結果顯示該復合支架能夠良好支持前骨細胞的增殖和黏附，其中Mg/Sr雙摻雜復合材料支架促進前骨細胞分化效果更好。除了具有良好的生物活性和生物相容性外，在BG中引入Mg還可以提高復合材料的機械性能。在純聚己內酯（polycaprolactone，PCL）支架中加入Mg/BG復合材料后，其機械性能得到顯著提高，由此可用于宿主骨小梁的機械支撐[46]。
在BG中摻入Mg不僅能夠促進骨質發生和血管生成，且可有效提高BG的抗彎強度，彌補了BG在機械性能上的不足；同時，該復合材料具有良好的生物相容性和成骨活性，由此提示摻雜有Mg的BG復合材料在生物醫學領域具有極大發展潛力。
2.4 鈰
已知含鈰（cerium，Ce）的BG可減少體內的活性氧活動，這是因為Ce3＋/Ce4＋氧化態的快速交換，使其具有良好的催化活性。實驗表明，Ce/BG復合材料還可作為環丙沙星的輸送系統，減少骨感染并發癥；此外，添加Ce能促進羥基磷灰石層的形成，增強成骨細胞活力[47]。張青山[48]采用水熱法制備了梭形二氧化鈰（CeO2），通過模擬體液浸泡方法評估了CeO2的體外生物活性。通過掃描電鏡、X射線衍射能譜和紅外光譜分析，明確在CeO2表面形成了一層羥基磷灰石，由此提示該梭形CeO2具有良好的生物活性。Ce/BG復合納米顆粒不僅可刺激人成骨肉瘤細胞中成骨基因表達，還可以刺激原始骨細胞外基質的形成和鈣化(calcification)及人間充質基質細胞的細胞成骨分化[49]。此外，Ce/BG復合納米顆粒可抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，但對人骨肉瘤細胞無細胞毒性[50]。
Ce/BG復合材料具有顯著的抑菌效應，同時可作為環丙沙星的輸送系統, 有效減少骨感染并發癥；此外，Ce/BG復合材料還具有良好的生物活性，能增強成骨細胞活力。
3 生物活性玻璃與非金屬材料復合
3.1 硼/硼酸鹽
硼（boron，B）在人體中起著重要作用，能夠影響骨的強度、形狀和礦物成分組成等。硼酸鹽/BG可促進骨細胞生長，在骨修復方面顯示出了較大的生物學優勢。Zhang等[51]通過溶膠—凝膠工藝和3D打印技術制備了硼/BG下頜骨植入物，經體外礦化實驗表明，在42 d后，可見大量羥基磷灰石層形成。細胞毒性研究表明，用硼/BG復合支架離子溶解產物培養骨髓間充質干細胞，在高濃度離子溶解產物中表現出一定程度的毒性，但其生物相容性仍優于羥基磷灰石。
賈偉濤等[52]制備了治療骨髓炎的BG載體系統，其將替考拉寧緩釋載入硼酸鹽/BG/CS復合材料中，同時通過高效液相色譜儀檢測其抗生素釋放濃度，結果表明硼酸鹽/BG/CS復合材料是替考拉寧長期有效的緩釋載體，并可促進骨組織形成。
硼優異的生物活性使其能夠在骨組織工程領域發揮重要作用。硼/BG復合材料提高了其成骨性能，且生物相容性良好。硼/BG復合材料還可通過作為替考拉寧長期有效的緩釋載體來治療骨髓炎。
3.2 石墨烯
石墨烯是一種無毒副作用、能促進骨組織發生的一種新型材料，石墨烯的這一特性可使其在骨組織修復中發揮重要作用。石墨烯/BG支架不僅抑菌效果好、生物活性高，同時在促進局部血管生成和骨愈合方面效果較為顯著；此外，該支架的三維結構可供骨髓間充質干細胞黏附，促進其增殖、分化，其在模擬體液中能夠快速形成羥基磷灰石層，具有廣泛的應用前景[53-54]。Yao等[55]合成了石墨烯/58S BG支架，將石墨烯的高度機械穩定性和導電性與58S BG出色的生物活性和生物相容性結合在一起，顯著提高了羥基磷灰石的形成能力。同時，通過模擬體液測試證實石墨烯/58S BG支架具有較強的生物活性、生物相容性。de Vasconcellos等[56]合成了石墨烯/BG支架，通過模擬體液檢測其性能。結果表明，該支架不僅對骨髓間充質干細胞無毒性反應，還能促進其增殖，表現出優良的成骨分化。
石墨烯/BG支架在骨組織工程中具有廣泛的應用前景。其抑菌效果好、生物活性高，同時具有良好的生物相容性。石墨烯/BG復合支架不僅提高了BG的硬度和楊氏模量，同時還保留了良好的導電性。
4 總結
BG復合材料作為一種理想的人工醫用材料，在臨床上得到了廣泛的研究和應用，彌補了玻璃材料機械強度較差和脆性較大的缺陷，并提高了復合材料的生物活性和成骨性能，從而實現機械力學性能和生物活性的雙重優化。BG與天然有機材料的結合提高了材料的力學性能和成骨能力，使其更有助于解決臨床中的問題。在與無機材料復合后，無機元素的摻雜使BG具有更佳的抗菌、成骨效果，同時有助于BG離子的緩釋。BG復合材料具有良好的生物活性且無細胞毒性，同時其機械性能優良，在誘導骨組織細胞成骨分化方面效果顯著，這些優勢使其在骨腫瘤治療、軟組織愈合、細菌抑制、藥物緩釋等領域具有較大的潛力。但當BG含量超過閾值時，復合材料的強度和細胞生長會受到影響。在開發復合材料時，應考慮BG作為原料與良好的力學性能之間的適當平衡。因此，未來研究應適當著眼于BG與不同材料組合的最佳配比，以實現良好的機械性能和生物性能的結合；同時為了進一步避免植入后的不良反應，還需要對BG復合材料植入后的反應開展更多的研究。在體外實驗中，關于BG復合材料的研究細胞系大多局限于骨髓間充質干細胞、牙髓干細胞等，如需深入研究可以考慮對不同細胞系的進一步研究，以獲得BG復合材料的成骨、血管生成等能力的相關數據。此外，若能更好地了解BG復合材料影響各類細胞活化和行為的機制，將有助于優化具有特定生物反應的復合材料的生產。在臨床研究方面，了解BG的體內生物學行為機制，有助于拓寬其在臨床實踐中的應用。總體來說，基于BG的復合材料的優良的綜合性能大大提高了其臨床應用價值，在骨組織工程領域顯示出極大發展潛力。但是尋找更合適的復合材料，探究如何添加其他成分組成，以及開發出其他治療功能，仍需更深一步的研究。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：彭雨、蘭梁負責資料收集、文章撰寫、文章修改；程麗佳、侯沙、穆君宇對文章框架和主題提供了指導性的意見，并負責文章修改。