介孔生物活性玻璃（MBGs）具有良好的生物活性和降解性，是有前途的再生醫(yī)學(xué)材料。本文通過改變SiO2-CaO-P2O5系統(tǒng)中SiO2（60~90mol%）、CaO和P2O5 （均為0~40mol%）的含量，并保持其它合成參數(shù)不變，合成了24種MBG。對介孔特征、降解性和生物活性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，MBGs的化學(xué)計(jì)量比可以在很大范圍內(nèi)控制降解和生物活性，同時(shí)保持MBGs獨(dú)特的結(jié)構(gòu)參數(shù)相對不受影響。

01 研究內(nèi)容簡介

介孔生物活性玻璃采用溶膠-凝膠技術(shù)，與作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的表面活性劑相結(jié)合制備而成，為開發(fā)各種用途的多功能材料奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)生物玻璃（BGs）相比，MBGs具有高度有序的5~20nm孔徑的孔道系統(tǒng)、更大的孔體積和顯著增加的比表面積。自21世紀(jì)初發(fā)明以來，MBGs已被提議用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，它可以單獨(dú)使用，或者作為載體嵌入其它生物材料，利用其獨(dú)特的細(xì)觀結(jié)構(gòu)遞送藥物和生物分子。

除了作為生物活性分子的遞送載體，MBG本身降解也對生物過程有著積極的影響，特別是在骨再生的情況下，因?yàn)镾iO2-CaO-P2O5系統(tǒng)中的硅、鈣和磷酸鹽，會(huì)影響諸如骨細(xì)胞增殖和分化等細(xì)胞過程。通過控制MBG的降解可以利用這種影響，即促進(jìn)骨再生。此外，與溶膠-凝膠或熔融得到的非介孔BGs相比，MBGs具有更好的生物活性。生物活性的程度在宿主組織反應(yīng)中起著重要作用。因此，控制材料的生物活性行為可以微調(diào)材料的組織整合。為了進(jìn)一步優(yōu)化MBG材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的有效性，對MBG的降解性和生物活性這兩個(gè)關(guān)鍵特性進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)保留介孔結(jié)構(gòu)以允許藥物遞送是很重要的。

MBGs是通過硅酸鹽和磷酸鹽共價(jià)鍵結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)形成的，屬于無定形材料。玻璃網(wǎng)絡(luò)通過烷氧基硅烷逐步縮合過程中氧原子的橋接而形成。這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性相對較低，因此降解性較高。鈣作為網(wǎng)絡(luò)改性劑，通過引入非橋接氧原子進(jìn)一步破壞了玻璃網(wǎng)絡(luò)。因此，在早期研究中發(fā)現(xiàn)，Ca含量的不同是導(dǎo)致MBG降解產(chǎn)生差異的原因之一。水環(huán)境中(M)BGs表面反應(yīng)活性的差異也與Ca含量相關(guān)：Si—OCa鍵的水解和Ca離子的釋放引發(fā)了一連串的表面反應(yīng)，最終導(dǎo)致玻璃表面形成羥基磷灰石（HAP），即生物活性。磷酸鹽在(M)BGs玻璃網(wǎng)絡(luò)中具有雙重作用。首先，磷酸鹽四面體單元可以整合進(jìn)玻璃網(wǎng)絡(luò)中并作為第二網(wǎng)絡(luò)的組成成分，從而提高網(wǎng)絡(luò)連通性，抵抗降解。另外，磷酸鹽也有助于反應(yīng)活性。對于熔融得到的玻璃，0~10mol%的范圍通常被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)生物活性的先決條件，而在溶膠-凝膠得到的玻璃中，實(shí)現(xiàn)生物活性的成分范圍更寬，并且在P以正磷酸鹽離子的形式釋放的前提下，增加P含量能夠促進(jìn)強(qiáng)烈的生物活性反應(yīng)。此外，氧化鈣和磷酸鹽的存在會(huì)導(dǎo)致玻璃網(wǎng)絡(luò)中形成無定形磷酸鈣（CaP）簇合物，從而提高了玻璃的生物活性。然而，到目前為止，MBG的組成成分在較寬范圍內(nèi)對降解性和生物活性的影響還沒有被系統(tǒng)的研究。

因此，本文旨在系統(tǒng)地研究MBG在較大的化學(xué)計(jì)量范圍內(nèi)（包括Ca/P比的變化）的性質(zhì)。為此，通過改變SiO2含量（60~90mol%）和Ca/P比（0.5、1.0、1.5、2.0以及無Ca和無P玻璃）設(shè)計(jì)并制備了24種玻璃（表1），并小心地避免可能影響MBG性質(zhì)的合成條件的差異。然后，我們分析了MBG的介孔結(jié)構(gòu)、降解和生物活性，旨在得出這些參數(shù)與MBG化學(xué)計(jì)量比之間關(guān)系的一些一般性結(jié)論，以便有目的地選擇合適的MBG組成成分用于再生醫(yī)學(xué)的具體應(yīng)用。

表1的所有配方都得到了清澈的溶膠。除了S70-C0和S60-C0沒有形成凝膠，在隨后的分析中被排除，所有材料在蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝（EISA）過程中都凝固成脆性透明薄膜。經(jīng)過熱處理和研磨后，得到白色粉末。在600℃下煅燒3h后得到的XRD衍射圖（圖1）顯示，所有材料均為無定形結(jié)構(gòu)，23°附近集中的一個(gè)寬峰是SiO2玻璃的特征，另一個(gè)寬峰在30°附近，玻璃的SiO2含量越低以及Ca/P比越高，峰就越明顯，這表明在這些玻璃網(wǎng)絡(luò)中形成了無定形硅酸鈣或磷酸鈣。FTIR光譜（圖2，虛線）進(jìn)一步支持了磷酸鈣的存在：1040cm-1和800 cm-1是SiO2玻璃的特征峰。除此以外，無定形磷酸鈣在568和606cm-1附近的特征吸收帶也被觀測到，這一特征隨著材料中SiO2含量的降低變得更加明顯，而在無Ca和無P組中沒有發(fā)現(xiàn)。

煅燒后的MBG的TEM圖像如圖3所示。根據(jù)TEM圖像可以區(qū)分出四種不同的形貌：(a)平行排列和(b)蜂窩狀排列的孔隙分別表示二維六方孔隙結(jié)構(gòu)（p6mm）的[100]和[001]方向；(c)排列不整齊，蠕蟲狀排列；(d)無結(jié)構(gòu)的孔隙。除了S90-C0只能發(fā)現(xiàn)二維六方晶格外，所有S90-y玻璃都有多種不同的有序區(qū)域。這得到了小角X射線散射（SAXS）結(jié)果（圖5）的支持，對于同種玻璃，多個(gè)峰的存在表明有數(shù)個(gè)相共存。僅在S90-0.5樣品中發(fā)現(xiàn)了額外的蠕蟲狀結(jié)構(gòu)區(qū)域，對于S90-C0以及所有的S80-y和S70-y樣品，主要發(fā)現(xiàn)了二維六方孔隙排列。這再次與SAXS一致，在SAXS中發(fā)現(xiàn)了與二維六方孔隙排列相關(guān)的單一極大值。S60系列的玻璃沒有顯示出任何有序的孔隙系統(tǒng)。此外，Ca/P比對孔的形成沒有影響，而且Sx-C0和Sx-P0組分都能夠形成有序的介孔。

N2吸附（圖6）的結(jié)果進(jìn)一步支持了這一點(diǎn)，在所有材料中都發(fā)現(xiàn)了IV型等溫線，這是開放的介孔結(jié)構(gòu)的特征，并且沒有看到Ca/P比改變導(dǎo)致系統(tǒng)性變化。然而，在SiO2含量不同的組之間，介孔系統(tǒng)的差異是明顯的：H1型滯后現(xiàn)象表明SiO2含量大于等于70mol%的玻璃中存在均勻的圓柱形開放介孔，而H2(a)和(b)型等溫線表明S60-y玻璃中孔隙系統(tǒng)比較無序。

用BJH法通過N2吸附等溫線計(jì)算了MBG的孔徑和比孔容，用BET法測試了MBG的比表面積。結(jié)果表明，孔徑與SiO2含量和Ca/P比無關(guān)；比表面積隨玻璃中SiO2含量的減少而略有下降，與CaO和P2O5含量沒有明顯的依賴關(guān)系；同樣，孔體積一般隨著SiO2含量的減少而降低，但并不系統(tǒng)地取決于CaO和P2O5含量。

MBG在PBS中浸泡21天的降解情況如圖7。所有材料都會(huì)隨時(shí)間而降解，這從上清液中Si濃度的逐漸增加可以明顯看出（圖7a）。隨著SiO2含量的降低，降解速率增加。對于同時(shí)含有CaO和P2O5的材料，Ca/P比越小，降解越不明顯。在PBS浸泡期間，所有含CaO的玻璃都釋放了Ca（圖7b），盡管這一釋放嚴(yán)重依賴于玻璃組成。一方面，Ca/P比的增加導(dǎo)致Ca的釋放減少。然而，在Ca/P比不變的情況下，CaO和P2O5的含量越高，釋放的Ca越多。最后，P濃度（圖7c）在不同時(shí)間和不同材料之間只有很小的變化（±10ppm以內(nèi)）。多項(xiàng)研究表明，MBGs與含Ca和P介質(zhì)接觸時(shí)，易在其表面形成礦物沉淀物。因此，需要考慮到這里確定的Ca和P的濃度圖譜是釋放和再沉淀的結(jié)果，實(shí)際釋放量可能被低估，特別是Ca的釋放。

在PBS中浸泡7天后得到的XRD光譜顯示，所有含Ca的MBGs表面都形成了納米晶體羥基磷灰石（HAP）（圖8）。SiO2含量更低的玻璃中磷灰石的形成通常更為明顯，這也意味著CaO含量更高。由于這種沉淀是在封閉系統(tǒng)中的無鈣緩沖液形成的，所有用于礦物沉淀的鈣都來自MBG，因此更高的釋放導(dǎo)致更明顯的礦物形成，這與上面討論的釋放數(shù)據(jù)是一致的。相應(yīng)地，Sx-C0玻璃沒有發(fā)現(xiàn)礦物形成。

在SBF中浸泡21天對MBG的生物活性（即礦物沉淀）和降解進(jìn)行了進(jìn)一步研究。浸泡期間沒有發(fā)現(xiàn)Si的釋放達(dá)到飽和，表明玻璃的降解是一個(gè)持續(xù)的過程（圖9a）。在含CaO和P2O5的玻璃中，隨著Ca/P比增加，玻璃的降解速率增加。有趣的是，降解速率與玻璃SiO2含量的顯著相關(guān)性僅在Sx-P0中可見，其中S60-P0的降解速率最高，隨著SiO2含量的增加降解速率降低。根據(jù)浸泡期間SBF中鈣的濃度（圖9b）可將MBGs分為鈣釋放材料（S60-1.0，Sx-1.5，Sx-2.0，Sx-P0）和鈣結(jié)合材料。在Ca/P比恒定的各組中，SiO2含量的降低通常會(huì)提高Ca的釋放。與此同時(shí)，含有Ca和P的MBGs上清液中的P濃度只隨時(shí)間變化（圖9c）。C0型MBGs在21天內(nèi)持續(xù)釋放P，而P0型表現(xiàn)出對P的持續(xù)吸收。Ca和P濃度的變化可歸因于材料表面磷酸鈣礦物的形成（生物活性）和材料降解導(dǎo)致的離子釋放這兩者的共同作用?？傊?，MBG的組成，特別是CaO和P2O5的含量，對玻璃的生物活性有很大的影響。

事實(shí)上，所有MBGs上都發(fā)現(xiàn)了礦物的形成，但在很大程度上取決于玻璃的組成。在SBF浸泡過程中，早期的表面反應(yīng)有著較大的差異（圖10）。當(dāng)不含CaO或Ca/P很低的MBGs在24h內(nèi)誘導(dǎo)HAP結(jié)晶時(shí)，所有其它組成的玻璃最初都傾向于形成方解石，這歸因于這些玻璃中Ca2+的釋放增加。7天后，所有材料上都發(fā)現(xiàn)了礦物沉積，盡管在本研究中沒有對礦物形成的程度進(jìn)行定量評估。

02 原文信息

M. Schumacher∗, P. Habibovic, S. van Rijt, 

Mesoporous bioactive glass composition effects on degradation and bioactivity, 

Bioactive Materials 6(7) (2021) 1921-1931. 

doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.12.007