由于生物活性玻璃与周围组织的结合能力强,并可在体内自由转化为羟基磷灰石和定形磷酸钙,从而修复骨组织,成为骨组织工程中研究的热点
[18-20]。Hench等
[21-22]还报道生物活性玻璃在体内代谢后还可以释放一些离子,这些离子可以促进骨细胞的分化与增殖,早在1971年,由45% SiO2、24.5% Na2O、24.5% CaO和6%P2O5混合配合成的硅酸盐生物活性玻璃45S5,就已被广泛应用于生物医学的研究。最近由53% SiO2、6% Na2O、12% K2O、5% MgO、20% CaO和4% P2O5按质量比例配合而成的生物活性玻璃13-93(图3A),掀起了生物医学新的浪潮
[23-25]。生物活性玻璃45S5和13-93可以作为骨组织修复与再生的支架材料,但45S5和13-93玻璃在体内转换缓慢
[26-27];硼酸能加快生物活性玻璃在体内转化为羟基磷灰石和定形磷酸钙的速度,因此一种新的以硼酸为基础的生物活性玻璃被广泛应用与研究
[29-30]。有学者以B2O3部分或完全取代两种玻璃中的SiO2,从其粒子转化为羟基磷灰石的动力学机制进行研究发现,玻璃的转化率随B2O3含量增加而显著提升。
硅酸盐的生物可降解性和诱导骨的再生能力早有相关报道[9],在硅酸盐生物玻璃中引入硼,能同时调节生物活性和生物降解性,其中生物降解性是限制硅酸盐在临床应用的关键问题
[10]。以45S5玻璃为基础,用B2O3取代部分SiO2后,会明显提高羟基磷灰石的形成速度,碳酸羟基磷灰石的多孔网状结构与硼的含量密切相关[14-15]。-B-O-B-的存在使得硼硅酸盐出现层状结构,层与层之间以弱的分子键相连接,从而具有低化学稳定性
[17]。所以,含硼玻璃在同样条件下矿化速度比传统玻璃快,形成的碳酸羟基磷灰石堆积更为密集、结构更加完整
[16]。宁佳等
[10]研究还发现硼和硅的比例也影响生物玻璃的降解速度,通过调整可使其与骨细胞生长速度相一致。最新一项研究试图将B2O3全部替换SiO2,成为一种新的生物活性玻璃13-93B3,并与13-93B1、13-93玻璃对比研究发现,羟基磷灰石形成的速度随B2O3的增加而显著增快,并且培养液的pH也随其增大。无论是其生物活性还是降解率都随SiO2的含量明显提升。本实验选择一种新型硼硅酸盐生物玻璃13-93B1(图3B),其成分为6% Na2O、7.9% K2O、7.7% MgO、22.1% CaO、 54.6% P2O3和1.7% P2O5,研究其对兔成骨细胞的行为学影响,为其临床应用的安全性和有效性评价提供依据。
本实验结果显示,体外培养的兔成骨细胞均能显著增殖,但初次浸提液的作用明显高于二次浸提液,表明初次浸提液中的硼元素对成骨细胞增殖有促进作用,其机制可能是硼的引入使硅酸盐增加了三面体结构,使网络空间连接程度降低,从而使构成网络的离子易被侵蚀,即玻璃的溶解速度增加,生物降解性增加,与之同时,钙、磷等离子溶出速度增加,加速了羟基磷灰石的沉积,使玻璃的生物活性有一定程度提高
[10],这与前人研究结果基本相一致。碱性磷酸酶活性是成骨细胞功能的特征性指标,含硼硅酸盐的两种培养液均可一定程度提高成骨细胞的碱性磷酸酶活性,但效果并不显著,表明硼硅酸盐虽然可以促进成骨细胞的代谢或增殖,但对成骨活性却无明显影响,这也正是多数生物支架材料普遍面临的问题之一,需要大量深入的基础实验使支架材料真正应用于临床成为可能。实验发现,引入含硼硅酸盐的培养液后,处于凋亡早期的成骨细胞数量稍有增加,表明硼酸盐中的硼离子对成骨细胞的凋亡有促进作用,这与前人的多数研究结果也几乎相一致
[11],此外硼硅酸盐对细胞增殖和代谢也有一定的促进作用。但是,对后者的促进作用远大于前者,提示该材料中的硼离子对成骨细胞既有正向调节又有负向调节。生理学普遍认为细胞代谢功能强弱是由蛋白分泌活动来体现的,引入含硼硅酸盐的培养液后,成骨细胞的蛋白合成量均升高,但初次浸提液对蛋白分泌的作用高于二次浸提液,表明新型硼硅酸盐中某些成分对成骨细胞代谢和蛋白分泌活性的作用强度随时间延长而明显减弱,这可能与培养液中硼离子浓度高低有关。研究表明,硼在局部区域累积后对细胞增殖产生了一定抑制作用,但支架浸提液经适当稀释后生物相容性明显改善
[12];若能有效控制其降解速度,则更有助于其促进成骨作用。最后,新型硼酸盐生物玻璃浸提液对成骨细胞的纵向迁移生长也有一定促进作用,但差异不显著,表明该新型材料作为骨修复支架材料,在一定程度上可动员或募集相关细胞通过纵向迁移向缺损区聚集,这一结论对支架制备时的方向顺应性设计具有一定指导意义
[13]。
因此,新型硼酸盐生物玻璃作为一种新型骨修复材料,虽然对成骨细胞的增殖、代谢、迁移及功能活性的维持和提高均有一定正调节作用,但其对成骨细胞凋亡的也有一定的促进负调节作用。