引用本文： 姜達君, 賈偉濤, 張長青. 生物玻璃在骨修復中的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(12): 1512-1516. doi: 10.7507/1002-1892.201705093 復制
Hench 教授于 20 世紀 70 年代初基于 SiO2-Na2O-CaO-P2O5 系統首次研發出 45S5 生物玻璃（商品名：Bioglass?），它的化學組成與骨骼相似，在植入生物體后展現良好的生物相容性，并與周圍骨組織緊密結合，其界面的結合力是正常骨組織間的 3～4 倍，這是首次開發出界面結合強度類似甚至超過人類骨組織間強度的生物材料。隨后研究發現這種結合力的產生在于碳酸羥基磷灰石層的形成，而且碳酸羥基磷灰石層的形成速度可以直接反映生物活性[1]。Wilson 等[2]記錄了體內、外應用 Bioglass? 的相關研究結果，肯定了生物玻璃的生物安全性，并首次提及生物玻璃與軟組織的結合能力，這項研究為倫理委員會批準生物玻璃的臨床試驗和歐盟（CE）認證、美國食品藥品監督管理局（FDA）批準其商業化應用奠定了理論基礎。
自 1985 年第 1 個生物玻璃產品“MEP?”成功上市并臨床用于聽骨鏈置換以來，生物玻璃已有十幾年的臨床應用歷史，治療成功率高達 90%。然而生物玻璃產品普遍化學穩定性差、機械強度低，為進一步提高其力學性能，1982 年日本京都大學的 Kokubo 等[3]在前人研究基礎上又開發研制了新型 A-W 玻璃陶瓷，現已以商品名 CERABONE? 用于臨床脊柱、髖關節等負重部位的骨修復治療[4]。隨著人們對生物玻璃研究的不斷深入，生物玻璃以顆粒、支架、涂層、骨水泥或載體等多種形式在骨修復領域得到了廣泛應用，本文就生物玻璃材料在臨床的不同應用形式分別予以闡述。
1 生物玻璃顆粒的應用
生物玻璃顆粒能獲得廣泛應用，一方面在于它提高了術中填補骨缺損的方便性，另一方面為可充分發揮骨刺激作用。骨刺激作用最初由 Wilson 等[5]提出，是指生物玻璃的溶解產物，尤其是硅離子、鈣離子，可在基因層面上刺激成骨細胞的繁殖和分化，以及成骨相關基因的表達。Xynos 等[6]發現 Bioglass?浸提液在體外可上調成骨細胞中 7 種家族的基因表達。第 1 個以顆粒型 45S5 為組成成分的生物玻璃產品是 1993 年發售的 PerioGlas?，用于修復因牙周病引起的下頜骨缺損，現已在超過 35 個國家進行銷售。1999 年第 1 個用于骨科的顆粒型 45S5 生物玻璃 NovaBone?（固骼生）通過 CE 認證投入歐洲市場，用于非承重骨的修復，并于 2000 年經 FDA 批準進入美國市場。 2006 年，首個以顆粒型 S53P4 為組成成分的生物玻璃 BonAlive? 在歐洲通過 CE 認證，用于臨床自體骨移植的替代治療。Ilharreborde 等[7]對比了后路脊柱融合術中采用 NovaBone? 與自體骨移植的療效，發現兩者有相同的脊柱融合能力和矯正效果。此外，應用 NovaBone? 的患者發生感染和力學失效概率更小，并且可以避免自體骨移植帶來的供區疼痛以及恢復不良。Seddighi 等[8]和 Frantzén 等[9]分別對頸椎前路融合術和腰椎滑脫融合術患者進行了 14.3 個月～11 年隨訪，結果均顯示生物玻璃產品可以達到與自體骨移植相同的療效。
但是，生物玻璃顆粒仍有許多不足，例如力學強度不夠，不能用于承重部位以及大塊骨缺損修復，且在缺乏骨性空腔環境下需要額外輔助固定[10]。解決以上問題的重點，一方面在于提高生物玻璃的強度和韌性，另一方面是尋找其他方式（比如支架、涂層等）來修復大塊或不規則骨缺損。
2 生物玻璃支架的應用
骨組織工程概念最初于 1995 年由 Grane 等[11]系統地提出，其中支架材料是骨組織工程的核心要素，能否研制出理想的支架材料，對于成功修復骨組織缺損發揮著重要意義。生物玻璃因具有良好的生物相容性、降解性、骨傳導、骨刺激作用而受到青睞。然而傳統生物玻璃均采用熔融法制成，硅含量相對較低，造成制作時支架結構燒結窗太窄而發生結晶[12]。生物玻璃如果完全結晶會降低生物活性，而部分結晶則會由于無定形狀態的玻璃優先被降解，進而造成結構不穩定引起臨床應用失敗[13]，限制了生物玻璃支架的應用推廣。
隨著新的生物玻璃制作工藝（例如溶膠凝膠法）以及新的化學組分（13-93、ICIE16）的開發，生物玻璃可以在不發生結晶情況下制備成支架結構，用于修復大塊骨缺損。Moimas 等[14]將生物玻璃纖維制成多孔支架用于修復兔脛骨缺損，并與顆粒型材料（PerioGlas?）進行對比，組織學觀察顯示在促進新骨形成和骨結構改造方面，生物玻璃支架更具優勢。Ghosh 等[15]分別將生物玻璃與傳統生物陶瓷（純羥基磷灰石、β-磷酸鈣/羥基磷灰石混合材料）用于修復山羊橈骨外側缺損，對比發現生物玻璃具有更好的新骨形成能力、更牢固的界面強度和更快的血管再生速度。近年來，在傳統硅酸鹽生物玻璃基礎上開發的硼酸鹽玻璃由于具有良好的降解性能成為研究熱點。Jia 等[16]研究發現，與硅酸鹽基（13-93）生物玻璃支架相比，在大塊骨缺損修復中采用硼酸鹽基（2B6Sr）生物玻璃支架能更快地促進骨修復和血管再生；且兩者均表現出足夠的力學強度，能起到與自體骨移植相同的修復效果。
此外，生物玻璃支架在抗壓強度方面也達到了近似松質骨的強度（2～12 MPa），比如溶膠-凝膠法制成的 70S30C 玻璃支架[17]、凝膠注泡沫法制成的 ICIE16 玻璃支架[18]。近年來，隨著 3D 打印技術、冷凍擠壓加工技術的問世，支架結構可以擁有精細的內部構造，其抗壓強度可以達到皮質骨強度水平（100～150 MPa）。Fu 等[19]報道了 3D 打印技術制成的多孔生物玻璃支架，其孔隙率為 60%，與松質骨相當，其軸向抗壓強度為 136 MPa，達到皮質骨的強度范圍。
然而生物玻璃斷裂韌性有限，因此生物玻璃支架仍不能應用于力學要求大、需要承受周期應力的部位，如股骨、脛骨。為解決這一問題，研究人員根據骨組織結構組成特點，將聚合物與生物玻璃結合制備復合材料。Mantsos 等[20]比較了聚乳酸涂層的生物玻璃支架與無涂層的生物玻璃支架，發現盡管兩者有相似的屈服強度，但是前者伸長率更大、韌性更佳。但是復合材料仍存在一些問題：一是生物玻璃與聚合物降解能力不同，這會造成支架的不穩定和顆粒的遷移；二是如何使兩種成分間形成穩定的結合，根據復合材料理論，復合材料所受的應力是沿填充物與基質的界面間傳遞的，因此材料的強度和硬度取決于兩種成分間結合力。目前生物玻璃或混合物支架仍在臨床前研究階段，但相關研究表明，其在修復大塊骨缺損方面具有廣闊的應用前景。
3 生物玻璃涂層的應用
金屬植入物雖然擁有良好的力學性能，但是由于生物惰性會產生纖維包裹導致臨床應用失敗，而生物玻璃與周圍組織具有良好的鍵合能力，將金屬材料與生物玻璃涂層相結合是一個新的研究方向。Gomez-Vega 等[21]采取了調整生物玻璃化學組成和運用功能梯度涂層兩種方法，改善了因金屬與生物玻璃熱膨脹系數不同造成的熱處理過程中結構不穩定問題。CO2 激光法的應用使金屬涂層不再需要整體熱加工，避免了生物玻璃發生結晶和金屬發生氧化的風險[22]。Newman 等[23]將載鍶生物玻璃涂層的鈦合金（Ti6Al4V）與臨床上常用的羥基磷灰石涂層的鈦合金分別植入兔股骨和脛骨缺損中，對比發現前者表現出更顯著的固定效果。Vitale-Brovarone 等[24]將氧化鋁髖臼窩假體表面附以生物玻璃涂層，并在兩者間添加一生物玻璃功能梯度夾層，以解決因兩種材料熱膨脹系數差異引起的結合不穩定。體外實驗顯示，該髖臼窩假體在擁有良好生物活性同時，也具有內部穩定的結合能力。生物玻璃涂層除應用于金屬植入物表面之外，還可應用于聚合物支架。Leach 等[25]將載 VEGF 的聚合物支架加以生物玻璃涂層，發現添加涂層可以促進血管的生成和骨成熟。目前，生物玻璃涂層缺乏臨床試驗支持，且其降解性能是否會影響植入物的長期穩定性仍屬未知。
4 可注射型生物玻璃骨水泥的應用
目前臨床常用的骨修復材料，如支架、顆粒或塊狀材料，不僅在形態上難以與骨缺損完美契合，而且需要開放手術，延緩了愈合時間。因此，可注射型骨水泥在微創和不規則骨缺損修復領域有極大的研究價值。張亞東[26]通過體內試驗證實，與硫酸鈣骨水泥相比，硼酸鹽生物玻璃骨水泥表現出與骨生長速度更匹配的降解能力和更好的骨修復效果。為了增強骨修復能力，該研究組又研發出可注射型載鍶硼酸鹽生物玻璃骨水泥，發現鍶的引入可以更好地促進人 BMSCs 增殖和成骨細胞分化[27]。骨科假體植入術后一旦發生感染將是災難性的，傳統治療方法通常需要取出假體、全身應用抗生素以及局部填充載抗生素的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）骨水泥。Rahaman 等[28]將 PMMA 骨水泥與生物玻璃骨水泥進行對比，認為前者缺乏生物活性，并可為細菌提供一個附著和繁殖的場所，而后者由于具有可控的降解能力、良好的成骨和成血管能力，有望成為傳統 PMMA 骨水泥良好的替代品。
5 生物玻璃載體的應用
5.1 載抗生素生物玻璃的應用
骨髓炎的治療一方面在于徹底清創，另一方面在于有效足量的抗生素使用。而徹底清創會不可避免地造成骨缺損，載抗生素生物玻璃的應用可以在釋放抗生素治療感染的同時，有效地修復骨缺損，因此擁有極大的研究價值。Ragel 等[29]報道了一種載慶大霉素的硅酸鹽生物玻璃，既保持了生物玻璃原有的生物活性促進骨生長，又能表現出良好的抗菌性能。Rivadeneira 等[30]通過體外實驗證實了載四環素的硅酸鹽生物玻璃/膠原混合物可以有效地抑制金黃色葡萄球菌的生長，并且不會對組織細胞（成骨樣細胞）產生毒性。目前，從緩釋性能方面考慮，研究多集中在硼酸鹽玻璃體系。因為和硅酸鹽玻璃體系相比，前者有更快且更徹底的降解能力，更有利于藥物釋放和骨修復[28]。Jia 等[31]研究了載替考拉寧的硼酸鹽/殼聚糖復合材料的釋放動力學，結果顯示該復合材料有良好的抗生素緩釋能力，釋放的抗生素能維持最小抑菌濃度（0.2 μg/mL）水平 21～31 d。謝宗平[32]在家兔脛骨骨髓炎實驗中發現，作為萬古霉素的載體，硼酸鹽玻璃比硫酸鈣有相對可控的降解速率、更好的新骨形成能力和組織相容性、更大的抗壓強度。
近年來，載藥介孔生物玻璃支架因有高度有序、均一的孔隙結構，可以實現更大的藥物裝載量、更穩定的藥物釋放速率而得到了廣泛研究和應用。Xia 等[33]發現載慶大霉素介孔硅酸鹽生物玻璃支架相比于無介孔結構支架，有更高的載藥量、更弱的藥物爆釋作用和更高的生物活性，因此制成介孔支架結構是載藥生物玻璃未來研究應用的趨勢。
生物玻璃緩釋體系除載抗生素以外，近些年來也被作為化療藥（如表阿霉素[34]）和其他治療藥物（如阿侖膦酸鈉[35]）的載體，然而這些應用目前仍處于體外研究階段。
5.2 載功能離子的生物玻璃應用
隨著人們對生物玻璃促進骨再生機制的深入探索，通過添加各種金屬離子制備的功能性生物玻璃材料也越來越受到重視。鍶離子有促進成骨細胞、抑制破骨細胞的作用，雷奈酸鍶 2004 年通過 CE 認證進入歐洲市場，用以治療絕經患者骨質疏松，然而其全身應用副作用大，例如靜脈血栓形成、過敏性皮膚病、心臟病。因此，載鍶生物玻璃的開發對骨質疏松患者骨缺損的修復意義重大。Wei 等[36]在修復卵巢切除兔的股骨缺損實驗中發現，載鍶介孔生物玻璃（mesoporous bioactive glass，MBG）支架可以達到普通 MBG 支架聯合雌激素替代治療相同的促骨再生能力，兩種方式治療后新骨形成量均超過單純植入 MBG 支架的 50%，而且對破骨細胞抑制作用明顯優于單純 MBG支架。盡管載鍶 MBG 支架有著良好的臨床應用前景，但是鍶對人體的長期影響還有爭議，因為對破骨細胞的抑制會影響骨重塑過程，所以鍶在體內對患者的長期影響還不明確，這需要長期的臨床試驗來驗證。
據報道，銅離子可在體外增強血管再生、內皮細胞增殖、膠原沉積[37]。趙世昌[38]研究了含銅硼酸鹽生物玻璃支架發現：銅離子的引入增加了 MSCs 的 ALP 活性、成骨相關基因（RUNX2、BMP-2、OPN）和成血管相關基因（VEGF、bFGF）表達、細胞外基質礦化能力，并能更好地促進缺損區血管再生，顯著增加新骨的生長。同樣地，Wang 等[39]在修復兔子顱骨缺損實驗中也證實，銅離子的引入明顯增加了血管密度。然而由于銅離子在體內或轉化為亞銅離子，從而產生活性自由基，因此銅的安全問題需要更多的體內試驗來明確。
此外，其他一些金屬離子，例如銀離子具有抗菌性能，鋅離子具有促進成骨、礦化，抑制破骨過程[40]，負載這些金屬離子的功能性生物玻璃也越來越多地受到人們的關注。
6 展望
生物玻璃在骨科的研究應用已經取得顯著進展，今后研究方向主要包括以下方面：① 隨著人口老齡化，越來越多的骨科疾病合并其他慢性疾病，生物玻璃作為藥物或者離子載體在不同病理狀況下的骨缺損修復問題需要深入研究；② 生物玻璃釋放的離子在基因層面上促進骨再生已成為現實，然而其具體的生物化學機制（比如信號通路）仍需要明確，并且是否會在遠期增加患癌風險也需要進一步臨床試驗闡明；③ 生物玻璃在承重骨修復中的應用問題仍未找到完美的方案，雖然 A/W 生物陶瓷、3D 打印技術等已大大增加了生物玻璃產品的強度，但是仍有許多問題限制其臨床應用，需要進一步研究來解決。
Hench 教授于 20 世紀 70 年代初基于 SiO2-Na2O-CaO-P2O5 系統首次研發出 45S5 生物玻璃（商品名：Bioglass?），它的化學組成與骨骼相似，在植入生物體后展現良好的生物相容性，并與周圍骨組織緊密結合，其界面的結合力是正常骨組織間的 3～4 倍，這是首次開發出界面結合強度類似甚至超過人類骨組織間強度的生物材料。隨后研究發現這種結合力的產生在于碳酸羥基磷灰石層的形成，而且碳酸羥基磷灰石層的形成速度可以直接反映生物活性[1]。Wilson 等[2]記錄了體內、外應用 Bioglass? 的相關研究結果，肯定了生物玻璃的生物安全性，并首次提及生物玻璃與軟組織的結合能力，這項研究為倫理委員會批準生物玻璃的臨床試驗和歐盟（CE）認證、美國食品藥品監督管理局（FDA）批準其商業化應用奠定了理論基礎。
自 1985 年第 1 個生物玻璃產品“MEP?”成功上市并臨床用于聽骨鏈置換以來，生物玻璃已有十幾年的臨床應用歷史，治療成功率高達 90%。然而生物玻璃產品普遍化學穩定性差、機械強度低，為進一步提高其力學性能，1982 年日本京都大學的 Kokubo 等[3]在前人研究基礎上又開發研制了新型 A-W 玻璃陶瓷，現已以商品名 CERABONE? 用于臨床脊柱、髖關節等負重部位的骨修復治療[4]。隨著人們對生物玻璃研究的不斷深入，生物玻璃以顆粒、支架、涂層、骨水泥或載體等多種形式在骨修復領域得到了廣泛應用，本文就生物玻璃材料在臨床的不同應用形式分別予以闡述。
1 生物玻璃顆粒的應用
生物玻璃顆粒能獲得廣泛應用，一方面在于它提高了術中填補骨缺損的方便性，另一方面為可充分發揮骨刺激作用。骨刺激作用最初由 Wilson 等[5]提出，是指生物玻璃的溶解產物，尤其是硅離子、鈣離子，可在基因層面上刺激成骨細胞的繁殖和分化，以及成骨相關基因的表達。Xynos 等[6]發現 Bioglass?浸提液在體外可上調成骨細胞中 7 種家族的基因表達。第 1 個以顆粒型 45S5 為組成成分的生物玻璃產品是 1993 年發售的 PerioGlas?，用于修復因牙周病引起的下頜骨缺損，現已在超過 35 個國家進行銷售。1999 年第 1 個用于骨科的顆粒型 45S5 生物玻璃 NovaBone?（固骼生）通過 CE 認證投入歐洲市場，用于非承重骨的修復，并于 2000 年經 FDA 批準進入美國市場。 2006 年，首個以顆粒型 S53P4 為組成成分的生物玻璃 BonAlive? 在歐洲通過 CE 認證，用于臨床自體骨移植的替代治療。Ilharreborde 等[7]對比了后路脊柱融合術中采用 NovaBone? 與自體骨移植的療效，發現兩者有相同的脊柱融合能力和矯正效果。此外，應用 NovaBone? 的患者發生感染和力學失效概率更小，并且可以避免自體骨移植帶來的供區疼痛以及恢復不良。Seddighi 等[8]和 Frantzén 等[9]分別對頸椎前路融合術和腰椎滑脫融合術患者進行了 14.3 個月～11 年隨訪，結果均顯示生物玻璃產品可以達到與自體骨移植相同的療效。
但是，生物玻璃顆粒仍有許多不足，例如力學強度不夠，不能用于承重部位以及大塊骨缺損修復，且在缺乏骨性空腔環境下需要額外輔助固定[10]。解決以上問題的重點，一方面在于提高生物玻璃的強度和韌性，另一方面是尋找其他方式（比如支架、涂層等）來修復大塊或不規則骨缺損。
2 生物玻璃支架的應用
骨組織工程概念最初于 1995 年由 Grane 等[11]系統地提出，其中支架材料是骨組織工程的核心要素，能否研制出理想的支架材料，對于成功修復骨組織缺損發揮著重要意義。生物玻璃因具有良好的生物相容性、降解性、骨傳導、骨刺激作用而受到青睞。然而傳統生物玻璃均采用熔融法制成，硅含量相對較低，造成制作時支架結構燒結窗太窄而發生結晶[12]。生物玻璃如果完全結晶會降低生物活性，而部分結晶則會由于無定形狀態的玻璃優先被降解，進而造成結構不穩定引起臨床應用失敗[13]，限制了生物玻璃支架的應用推廣。
隨著新的生物玻璃制作工藝（例如溶膠凝膠法）以及新的化學組分（13-93、ICIE16）的開發，生物玻璃可以在不發生結晶情況下制備成支架結構，用于修復大塊骨缺損。Moimas 等[14]將生物玻璃纖維制成多孔支架用于修復兔脛骨缺損，并與顆粒型材料（PerioGlas?）進行對比，組織學觀察顯示在促進新骨形成和骨結構改造方面，生物玻璃支架更具優勢。Ghosh 等[15]分別將生物玻璃與傳統生物陶瓷（純羥基磷灰石、β-磷酸鈣/羥基磷灰石混合材料）用于修復山羊橈骨外側缺損，對比發現生物玻璃具有更好的新骨形成能力、更牢固的界面強度和更快的血管再生速度。近年來，在傳統硅酸鹽生物玻璃基礎上開發的硼酸鹽玻璃由于具有良好的降解性能成為研究熱點。Jia 等[16]研究發現，與硅酸鹽基（13-93）生物玻璃支架相比，在大塊骨缺損修復中采用硼酸鹽基（2B6Sr）生物玻璃支架能更快地促進骨修復和血管再生；且兩者均表現出足夠的力學強度，能起到與自體骨移植相同的修復效果。
此外，生物玻璃支架在抗壓強度方面也達到了近似松質骨的強度（2～12 MPa），比如溶膠-凝膠法制成的 70S30C 玻璃支架[17]、凝膠注泡沫法制成的 ICIE16 玻璃支架[18]。近年來，隨著 3D 打印技術、冷凍擠壓加工技術的問世，支架結構可以擁有精細的內部構造，其抗壓強度可以達到皮質骨強度水平（100～150 MPa）。Fu 等[19]報道了 3D 打印技術制成的多孔生物玻璃支架，其孔隙率為 60%，與松質骨相當，其軸向抗壓強度為 136 MPa，達到皮質骨的強度范圍。
然而生物玻璃斷裂韌性有限，因此生物玻璃支架仍不能應用于力學要求大、需要承受周期應力的部位，如股骨、脛骨。為解決這一問題，研究人員根據骨組織結構組成特點，將聚合物與生物玻璃結合制備復合材料。Mantsos 等[20]比較了聚乳酸涂層的生物玻璃支架與無涂層的生物玻璃支架，發現盡管兩者有相似的屈服強度，但是前者伸長率更大、韌性更佳。但是復合材料仍存在一些問題：一是生物玻璃與聚合物降解能力不同，這會造成支架的不穩定和顆粒的遷移；二是如何使兩種成分間形成穩定的結合，根據復合材料理論，復合材料所受的應力是沿填充物與基質的界面間傳遞的，因此材料的強度和硬度取決于兩種成分間結合力。目前生物玻璃或混合物支架仍在臨床前研究階段，但相關研究表明，其在修復大塊骨缺損方面具有廣闊的應用前景。
3 生物玻璃涂層的應用
金屬植入物雖然擁有良好的力學性能，但是由于生物惰性會產生纖維包裹導致臨床應用失敗，而生物玻璃與周圍組織具有良好的鍵合能力，將金屬材料與生物玻璃涂層相結合是一個新的研究方向。Gomez-Vega 等[21]采取了調整生物玻璃化學組成和運用功能梯度涂層兩種方法，改善了因金屬與生物玻璃熱膨脹系數不同造成的熱處理過程中結構不穩定問題。CO2 激光法的應用使金屬涂層不再需要整體熱加工，避免了生物玻璃發生結晶和金屬發生氧化的風險[22]。Newman 等[23]將載鍶生物玻璃涂層的鈦合金（Ti6Al4V）與臨床上常用的羥基磷灰石涂層的鈦合金分別植入兔股骨和脛骨缺損中，對比發現前者表現出更顯著的固定效果。Vitale-Brovarone 等[24]將氧化鋁髖臼窩假體表面附以生物玻璃涂層，并在兩者間添加一生物玻璃功能梯度夾層，以解決因兩種材料熱膨脹系數差異引起的結合不穩定。體外實驗顯示，該髖臼窩假體在擁有良好生物活性同時，也具有內部穩定的結合能力。生物玻璃涂層除應用于金屬植入物表面之外，還可應用于聚合物支架。Leach 等[25]將載 VEGF 的聚合物支架加以生物玻璃涂層，發現添加涂層可以促進血管的生成和骨成熟。目前，生物玻璃涂層缺乏臨床試驗支持，且其降解性能是否會影響植入物的長期穩定性仍屬未知。
4 可注射型生物玻璃骨水泥的應用
目前臨床常用的骨修復材料，如支架、顆粒或塊狀材料，不僅在形態上難以與骨缺損完美契合，而且需要開放手術，延緩了愈合時間。因此，可注射型骨水泥在微創和不規則骨缺損修復領域有極大的研究價值。張亞東[26]通過體內試驗證實，與硫酸鈣骨水泥相比，硼酸鹽生物玻璃骨水泥表現出與骨生長速度更匹配的降解能力和更好的骨修復效果。為了增強骨修復能力，該研究組又研發出可注射型載鍶硼酸鹽生物玻璃骨水泥，發現鍶的引入可以更好地促進人 BMSCs 增殖和成骨細胞分化[27]。骨科假體植入術后一旦發生感染將是災難性的，傳統治療方法通常需要取出假體、全身應用抗生素以及局部填充載抗生素的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）骨水泥。Rahaman 等[28]將 PMMA 骨水泥與生物玻璃骨水泥進行對比，認為前者缺乏生物活性，并可為細菌提供一個附著和繁殖的場所，而后者由于具有可控的降解能力、良好的成骨和成血管能力，有望成為傳統 PMMA 骨水泥良好的替代品。
5 生物玻璃載體的應用
5.1 載抗生素生物玻璃的應用
骨髓炎的治療一方面在于徹底清創，另一方面在于有效足量的抗生素使用。而徹底清創會不可避免地造成骨缺損，載抗生素生物玻璃的應用可以在釋放抗生素治療感染的同時，有效地修復骨缺損，因此擁有極大的研究價值。Ragel 等[29]報道了一種載慶大霉素的硅酸鹽生物玻璃，既保持了生物玻璃原有的生物活性促進骨生長，又能表現出良好的抗菌性能。Rivadeneira 等[30]通過體外實驗證實了載四環素的硅酸鹽生物玻璃/膠原混合物可以有效地抑制金黃色葡萄球菌的生長，并且不會對組織細胞（成骨樣細胞）產生毒性。目前，從緩釋性能方面考慮，研究多集中在硼酸鹽玻璃體系。因為和硅酸鹽玻璃體系相比，前者有更快且更徹底的降解能力，更有利于藥物釋放和骨修復[28]。Jia 等[31]研究了載替考拉寧的硼酸鹽/殼聚糖復合材料的釋放動力學，結果顯示該復合材料有良好的抗生素緩釋能力，釋放的抗生素能維持最小抑菌濃度（0.2 μg/mL）水平 21～31 d。謝宗平[32]在家兔脛骨骨髓炎實驗中發現，作為萬古霉素的載體，硼酸鹽玻璃比硫酸鈣有相對可控的降解速率、更好的新骨形成能力和組織相容性、更大的抗壓強度。
近年來，載藥介孔生物玻璃支架因有高度有序、均一的孔隙結構，可以實現更大的藥物裝載量、更穩定的藥物釋放速率而得到了廣泛研究和應用。Xia 等[33]發現載慶大霉素介孔硅酸鹽生物玻璃支架相比于無介孔結構支架，有更高的載藥量、更弱的藥物爆釋作用和更高的生物活性，因此制成介孔支架結構是載藥生物玻璃未來研究應用的趨勢。
生物玻璃緩釋體系除載抗生素以外，近些年來也被作為化療藥（如表阿霉素[34]）和其他治療藥物（如阿侖膦酸鈉[35]）的載體，然而這些應用目前仍處于體外研究階段。
5.2 載功能離子的生物玻璃應用
隨著人們對生物玻璃促進骨再生機制的深入探索，通過添加各種金屬離子制備的功能性生物玻璃材料也越來越受到重視。鍶離子有促進成骨細胞、抑制破骨細胞的作用，雷奈酸鍶 2004 年通過 CE 認證進入歐洲市場，用以治療絕經患者骨質疏松，然而其全身應用副作用大，例如靜脈血栓形成、過敏性皮膚病、心臟病。因此，載鍶生物玻璃的開發對骨質疏松患者骨缺損的修復意義重大。Wei 等[36]在修復卵巢切除兔的股骨缺損實驗中發現，載鍶介孔生物玻璃（mesoporous bioactive glass，MBG）支架可以達到普通 MBG 支架聯合雌激素替代治療相同的促骨再生能力，兩種方式治療后新骨形成量均超過單純植入 MBG 支架的 50%，而且對破骨細胞抑制作用明顯優于單純 MBG支架。盡管載鍶 MBG 支架有著良好的臨床應用前景，但是鍶對人體的長期影響還有爭議，因為對破骨細胞的抑制會影響骨重塑過程，所以鍶在體內對患者的長期影響還不明確，這需要長期的臨床試驗來驗證。
據報道，銅離子可在體外增強血管再生、內皮細胞增殖、膠原沉積[37]。趙世昌[38]研究了含銅硼酸鹽生物玻璃支架發現：銅離子的引入增加了 MSCs 的 ALP 活性、成骨相關基因（RUNX2、BMP-2、OPN）和成血管相關基因（VEGF、bFGF）表達、細胞外基質礦化能力，并能更好地促進缺損區血管再生，顯著增加新骨的生長。同樣地，Wang 等[39]在修復兔子顱骨缺損實驗中也證實，銅離子的引入明顯增加了血管密度。然而由于銅離子在體內或轉化為亞銅離子，從而產生活性自由基，因此銅的安全問題需要更多的體內試驗來明確。
此外，其他一些金屬離子，例如銀離子具有抗菌性能，鋅離子具有促進成骨、礦化，抑制破骨過程[40]，負載這些金屬離子的功能性生物玻璃也越來越多地受到人們的關注。
6 展望
生物玻璃在骨科的研究應用已經取得顯著進展，今后研究方向主要包括以下方面：① 隨著人口老齡化，越來越多的骨科疾病合并其他慢性疾病，生物玻璃作為藥物或者離子載體在不同病理狀況下的骨缺損修復問題需要深入研究；② 生物玻璃釋放的離子在基因層面上促進骨再生已成為現實，然而其具體的生物化學機制（比如信號通路）仍需要明確，并且是否會在遠期增加患癌風險也需要進一步臨床試驗闡明；③ 生物玻璃在承重骨修復中的應用問題仍未找到完美的方案，雖然 A/W 生物陶瓷、3D 打印技術等已大大增加了生物玻璃產品的強度，但是仍有許多問題限制其臨床應用，需要進一步研究來解決。