生物玻璃

生物玻璃(bioglass) 是指能實現特定的生物、生理功能的玻璃。將生物玻璃植入人體骨缺損部位，它能與骨組織直接結合，起到修復骨組織、恢復其功能的作用。生物玻璃是佛羅里達大學美國人 L.L.亨奇於 1969 年發明的。其主要成分有約占45%Na2O、占25%CaO與25%SiO2和約占5%P2O5。若添加少量其他成分，如K2O、MgO、CaF2、B2O3等 ， 則可得到一系列有實用價值的生物玻璃。用這種玻璃來造人體骨比某些金屬要優越的多。

基本介紹

• 中文名：生物玻璃
• 外文名：bioglass
• 特性：能實現特定的生物、生理功能
• 作用：修復骨組織、恢復其功能
• 發明年份：1969 年
• 化學組成：Si、Na、Ca 以及P 的氧化物

簡介

生物玻璃已成為材料科學、生物化學以及分子生物學的交叉學科，由於生物玻璃具有生物活性等特點，在組織工程支架材料、骨科、牙科、中耳、癌症治療和藥物載體等方面的套用前景可觀。主要由Si、Na、Ca 以及P 的氧化物組成。

適用原因

亨特教授曾把這種生物玻璃做成猴子大腿骨，植入猴子體內，經過一定時間。後來又從猴子體內取出大腿骨進行觀察，發現再生的骨細胞已經長入生物玻璃骨內的網狀結構內，混成一體。經力學實驗證明，這種人造骨比原骨要結實得多。

生物玻璃之所以適用，原因是它的配料成分是仿生的，經過配料進行化合反應後，會生成一種新成分叫羥基磷酸鈣Ca5(PO4)3(OH)。這種成分就是人和動物的骨頭的構成成分。

製法

生物玻璃的製法與工業玻璃類似，在1400℃左右高溫下熔制，均化後澆注到不鏽鋼模具中成形 ，退火後即得到其製品。由於生物材料的特殊要求，製備生物玻璃須採用高純試劑作原料，以鉑坩堝為容器，儘可能減少雜質混入。由於生物玻璃化學穩定性差，易與環境中的水分反應，因此在加工、滅菌和保存中，須保持乾燥，防止變質。生物玻璃的機械強度低，只能用於承力不大的體位，如耳小骨、指骨等的修復。將生物玻璃塗敷於鈦合金或不鏽鋼表面，在臨床上可製作人工牙或關節。

主要用溶膠凝膠製備，這樣能很好的保留其生物活性。

生物玻璃的增韌

1.自增韌 

由適當組成的玻璃通過控制結晶化製成微晶化玻璃,又稱玻璃陶瓷。通過新晶相的析出來提高材料的機械強度。如小久保正的A-W微晶玻璃，通過第二相矽灰石的析出提高了材料的機械強度，而沒有降低材料與骨結合的能力。可切削加工玻璃陶瓷則是通過向含磷灰石微晶的玻璃中引入能析出氟金雲母的成分，大大改善了玻璃陶瓷材料的可切削加工性能。自增韌技術的採用在一定程度提高了玻璃材料的某些力學性能，為實現臨床套用帶來了可能。 

2.顆粒增韌 

利用生物玻璃或陶瓷與其他顆粒相複合的方法提高整體材料的強度,複合方式有多種，可分為：

①與活性生物顆粒相複合，作為增強相與輕基磷灰石相複合。 

②與生物惰性顆粒相複合。選擇具有生物活性的生物玻璃為母材與其他惰性顆粒組成複合材料，從而保存活性提高強度和韌性。

3.纖維增韌 

碳纖維、碳化矽纖維及金屬纖維都被用於生物玻璃陶瓷材料的補強增韌，如將碳纖維切成一定長度的小段，並以水為介質與磷酸鈣充分混合，將得到的漿料球磨混合後真空熱壓燒結，製得的複合材料最終抗彎強度為23.6MPa,拉伸變形率為0.36%，提高了材料的韌性。 

4.層狀複合增韌 

層狀複合增韌的核心是將結構陶瓷中的層狀增韌機理引入生物材料。用生物活性材料(生物玻璃或HA)為基體材料，引入碳素等延性材料作為夾層材料，製備胚體，該胚體在氮氣保護下熱壓燒結，得到基本緻密的塊體，其斷口為階梯狀斷裂，表明複合陶瓷整體在達到最大載荷點後失效不是突變的，而是裂紋在石墨層中擴展,並逐步被吸收，呈Z狀擴散，因而避免了脆性斷裂。 

5.生物活性玻璃塗層 

生物玻璃加塗士醫用金屬等的基底上形成的一種塗層材料，其目的在於利用生物玻璃與骨鍵合的生物活性以及金屬的高強度，構成可承受負載的骨和牙等硬組織替換材料。功能梯度塗層即通過增加過渡性塗層，縮小基體與活性塗層間熱膨脹性能的差異，從而增強兩者之間的結合力，取得了一定的效果。 

生物玻璃的套用

1.生物玻璃在牙科治療中的套用 

生物玻璃自1985年開始套用於臨床修復骨、關節軟骨、皮膚和血管損傷。人工中耳骨MEP是生物玻璃材料最早產品，它既可與軟組織（耳膜）連線，又可與骨連線，臨床結果顯示較好於其他生物陶瓷和金屬材料。第二代生物玻璃材料 ERMI可用於填補牙根空位，避免牙床萎縮。ERMI與牙床骨連線緊密，較之預防牙床萎縮的其他材料有更好的療效。第三代生物玻璃材料早期產品PerioGlas，主要用於牙周疾病所致骨缺損重建和拔牙後局部填充。長期臨床研究顯示，PerioGlas臨床效果良好，對人體無不良反應。含50%磷酸的生物玻璃可用於治療牙本質過敏和早期釉質齲齒。原因是生物活性玻璃微粒由於與其植入髓室穿孔處與血液及牙槽骨骨組織接觸時，可在瞬間與組織間發生複雜的離子交換，在生物玻璃表面形成富矽凝膠層，並聚集形成碳酸羥磷灰石層，通過鈣磷層的快速形成並沉積在穿孔區牙周組織內，最終鈣化，形成牙骨質和牙周新附著。Bakry等研究含50%磷酸的生物玻璃，結果顯示其生物相容性良好，是一種安全的生物材料。 

2.生物玻璃在骨骼修復中的套用 

生物玻璃在牙科疾病預防和治療中取得良好臨床效果後，隨即也套用於骨科，其產品有固骼生（NovaBone)。生物玻璃力學強度較差，主要用於非承重部位骨缺損修復。由於生物玻璃表面在人體的生理環境中可發生一系列的化學反應，並可直接參與人體骨組織的代謝和修復過程，最終可以在材料表面形成與人體相同的無機礦物成分——碳酸羥基磷灰石)]CO,(2OH)(PO-[CaO-23-6410，並誘導骨組織的生長，所以可用於人體骨缺損的填充和修復。Ameri等報導在青少年特發性脊柱側凸患者後路脊柱融合矯形術中分別採用生物玻璃和自體髂嵴骨移植，術後平均隨訪34.7個月（最短24個月）發現，生物玻璃組臨床效果與自體髂嵴骨移植組相同，且可減少自體髂嵴骨移植所帶來的併發症。Seddighi等報導在頸椎病前路融合術中採用填充生物玻璃和自體骨的鈦網，平均隨訪14.3個月顯示，其脊柱融合率與僅填充自體骨的鈦網相比基本相同。 

3.生物玻璃在藥物載體方面的套用 

藥物治療載體也是生物玻璃最有前景的套用之一。各種各樣的藥物儲存在多孔的生物玻璃中，然後植入人體的有關關鍵部位,隨著生物玻璃表面反應的進行，藥物將釋放，達到有的放矢的治病目的，與傳統的注射方法相比，有均勻、長時間治療等眾多的優點，有最大效率的療效。 

4.生物玻璃在創口癒合中的套用 

生物活性玻璃用於促進傷口的癒合也是當今的一個研究方向。國內外的一些專利對此均有涉及。如美國的D.C.格林斯潘等就在其專利中介紹了一種用於加速創傷和燒傷癒合的組織物，其中就包含有活性玻璃。生物活性玻璃的加速促進創口癒合的機理為：當該材料植入人體內，在體液的作用下，Na、2Ca等活性大的離子首先溶出，體液中的H進入玻璃表面形成Si-OH，然後由於Si-O-Si鍵破壞，無規網路被溶解，可溶性矽以矽醇形式被放出，並且迅速在材料分體表面形成一個羥基磷灰石膠結層。可溶性矽有分子水平結締組織的代謝作用和結構作用，生物玻璃溶解後，局部Si濃度的升高可促進細胞新陳代謝的細胞內部相應，激發促創傷癒合因子的自分泌反應，參與創傷修復的所有細胞在促創傷癒合因子的自分泌反應，參與創傷修復的所有細胞在促創傷癒合因子的刺激下加速生長和分裂，並聚集於材料表面形成的羥基磷灰石膠結層，使新生組織能整個創面順利爬移和覆蓋。