李文博 张浩然 郭峰 杨松林

【提要】 生物活性玻璃（Bioactive glasses，BGs）已经在再生医学和组织工程领域有了广泛应用，其与体液接触可产生碳酸羟基磷灰石，从而与骨组织紧密结合，所以常用于骨缺损或牙齿的替代、再生及修复。随着技术与材料的逐渐发展，越来越多的证据证明了BGs 在软组织修复中的发展潜力。BGs 具备一定的抗菌作用，这种特性在组织修复中的优势明显，通过改变其组分，或与不同材料（如功能性离子、聚合物、生物因子等）结合，能更快速有效地促进伤口愈合。本文回顾了BGs 的发展进程，并通过伤口修复机制探讨BGs 加速伤口修复的可能机制，最后对BGs 在伤口修复中的研究发展趋势进行解读。

目前，组织工程技术已经成为促进伤口修复的重要手段之一。生物活性玻璃（Bioactive glasses，BGs）经过了50 余年的发展[1]，不同的BGs 成分和功能不同，如最初的硅酸盐BGs和如今的硼酸盐与磷酸盐BGs[2]。BGs 早期主要用于骨和牙齿的修复研究[3-4]，近年来BGs 在软组织，尤其是伤口修复中的作用逐渐受到重视。通过在创面局部应用不同成分的生物活性材料，可以达到抗炎、抗感染、促进血管生成、加速伤口愈合等目的。BGs 可与其他材料（如一些功能性离子、药物、生物因子等）结合，发挥协同作用。本文将根据BGs 的组分，对近年来BGs 应用于创面修复的原理、机制及效果进行综述。

1 生物活性玻璃

1.1 BGs 的组成和结构

BGs 最初由Hench 等[1]在1971 年报道，其主要成分为45%SiO2、24.5%Na2O2、4.5%CaO 和6%P2O5，随后在1985 年开始应用于临床[5]。通过与不同比例的无机氧化物结合，BGs 家族衍生出更多不同的BGs[2]。目前，BGs 包括3 种主要成分：成网氧化物（如SiO2、B2O3和P2O5等）、网络外体氧化物（如Na2O、CaO、MgO 和K2O 等）以及两性氧化物（如Al2O3、ZnO、ZrO2和TiO2等）[6]。根据成网氧化物的不同，BGs 又可分为硅酸盐基、硼硅酸盐/硼酸盐基和磷酸盐基3 种。网络外体氧化物则起到增强生物材料表面生物活性的作用[7]。此外，硅、磷、锶、铜、银、锌和氟等离子也可以加入生物玻璃，起到修饰其生物活性的作用，如促进细胞增殖、加速局部生化反应、刺激血管生成以及抗炎抗菌等，从而在软组织修复进程中起到重要作用[8-12]。

由于BGs 在体内逐渐降解，所含离子会随着降解逐渐释放（如Na+和Ca2+等），这种释放会造成组织局部pH 升高，高碱性环境会使生物材料加速分解，并造成材料表面碳酸羟基磷灰石（Hydroxy carbonate apatite，HCA）的形成延后，从而影响材料的生物活性[13-15]。因此，Goel 等[16-18]开发了一种新的BGs，其中不含Na+，取而代之的是70%透辉石、10%氟磷灰石和20%磷酸三钙，体外动物实验证实其烧结性能更好、溶出率降低、生物活性更高[16]。BGs 降解导致的局部组织pH 升高是其抗菌作用的原理之一[15，19]，所以进一步研究应聚焦于BGs具备更好的生物活性的同时，能否保持其较好的抗菌效果。

随着对BGs 研究的深入，各种功能性离子将更有效地与BGs 相结合并发挥更高的效力。例如，功能离子需要合适的传递媒介在生物体中发挥作用，而传统BGs 不能很好地达到上述目的。Yan 等[20]报道的介孔生物活性玻璃（Mesoporous BGs，MBGs），具有超高的比表面积（＞100 m2/g）和高孔隙体积。MBGs 可通过不同的材料形式制作，如纳米粒子、分层支架以及纤维等。与传统BGs 相比，其传递离子的效率更高；MBGs 还可加载细胞因子或药物（如抗生素、生长因子，甚至抗癌药物等[21-22]）以促进组织再生。

1.2 BGs 的生物特性

生物材料的生物活性是指能在材料与生物组织界面上诱发特殊生物、化学反应的特性，这种反应使材料和组织间形成化学键合。BGs 的生物活性主要体现在当BGs 与体液接触时会形成碳酸羟基磷灰石（Hydroxy carbonate apatite，HCA），HCA 的结构和化学性质均与天然磷灰石（即骨的矿物质结构）相似。因此，生物材料表面的HCA 被认为是在植入物和组织界面形成稳定结合的初始步骤之一[23-24]，BGs 在体内可充分与骨及其他组织结合[25-26]。这也是BGs 有别于其他生物材料的主要优势。

BGs 的抗菌特性表现在以下几方面：①一些BGs 在分解过程中会释放Si4+、Na+和Ca2+，引起局部环境的pH 和渗透压升高，从而产生抗菌作用[15，19，27]；②与BGs 结合的金属离子也能起到抗菌作用[28]；③BGs 也可通过产生活性氧类（Reactive oxygen species，ROS）破坏细菌的DNA 和RNA 而达到抗菌的目的[2，27]。

1.3 BGs 与功能性离子

在生理条件下，BGs 在体内逐渐降解的同时，其包含的各种离子被逐渐释放，起到辅助止血、抗感染、加速血管再生以及辅助创面愈合的作用[2，13]。银离子（Ag+）拥有其他金属离子不能比拟的抗菌抗炎效果，对革兰氏阴性菌的抗菌性能优于革兰氏阳性菌[2]。铜离子（Cu2+）可促进血管化，同时具有一定的抗菌作用，还有研究证明其有促进间充质干细胞增殖的作用[9，29-31]；锌离子（Zn2+）也具有一定的抗菌及促进血管生成的特性[12，32]，从BGs 中释放的Zn2+通过产生ROS 并在细胞质或细菌外膜积累而产生抑菌作用[12]。铈离子（Ce3+）同样具有抗菌性能，其抗菌机制与Zn2+类似；Ce3+有利于成骨细胞的生长，改善骨的力学性能，促进骨形成的功能[33-35]。镓离子（Ga3+）可有效治疗局部感染，抑制生物膜形成，并对游离细菌和生物膜细胞具有杀菌作用[33，36]。Kurtuldu 等[33]将镓和铈掺入MBGs中，表现出对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌良好的抗菌性能。钙离子（Ca2+）拥有辅助止血、促进成骨细胞增殖、增加胰岛素样生长因子的表达，以及促进表皮细胞增殖等作用[37-38]。锶离子（Sr2+）可促进细胞生长和繁殖而起到加速组织重建的作用。尽管功能性离子的作用明显，但是随着BGs 降解而释放的金属离子在局部浓度升高而可能引起的毒性不容忽视。

1.4 BGs 与天然聚合物

聚合物可分为两类：人造聚合物和天然聚合物[25，39-40]。其中，天然聚合物可分为3 种：蛋白质（如胶原蛋白、明胶、丝纤蛋白等），多聚糖（如壳聚糖、透明质酸、藻酸盐、纤维素等）和多聚核苷酸（如DNA、RNA 等）[39，41]。聚合物生物相容性高，且属于非细胞材料，目前被广泛应用于组织工程研究中。然而，这些聚合物生物活性及机械强度较低，限制了其应用。BGs所拥有的生物活性和再生潜能则弥补了天然聚合物的缺陷[26]。

以胶原蛋白为例，胶原蛋白是细胞外基质的主要成分，拥有高生物相容性及低免疫原性[42]。胶原蛋白通过成纤维细胞的作用来控制细胞迁移、增殖和分化的周期，在软组织修复过程中起到必不可少的作用[42]。在众多人造辅料中，哺乳动物胶原蛋白由于其良好的伤口愈合效果，已经被公认为临床上较好的选择。然而，胶原蛋白的高降解率和较低的力学强度则限制了其应用。通过将胶原蛋白和BGs 结合不仅能增强其力学强度，还能产生抗炎抗菌效果，更能满足临床应用的需求。Zhou 等[43]制备了仿生电纺鱼胶原蛋白/生物活性玻璃（Col/BGs）纳米纤维，在拥有足够的拉伸强度和抗菌活性的前提下，还能促进人角质形成细胞的黏附、增殖和迁移，从而加速创面愈合。

2 生物活性玻璃在伤口修复中的应用

2.1 伤口修复的过程

伤口是“正常解剖结构和功能破坏”的结果[44]，伤口愈合是一个复杂而动态的生理过程，涉及多种细胞因子和生长因子的分泌，以及多种不同类型细胞的相互作用[45-46]。通常情况下，急性伤口愈合是机体的一种自然再生过程。伤口愈合包括3 个阶段，即炎症反应、新组织形成（增殖）以及组织重塑（成熟）[47-48]。

炎症反应发生在损伤即刻，此时血管收缩、血小板聚集、凝血级联反应等共同发挥止血作用，防止液体丢失[47]。免疫系统通过免疫细胞聚集、活化、分泌等发挥免疫功能，从而清除已经死亡或失去活力的组织，预防感染[48]。损伤修复的第二阶段是新组织形成，发生在受伤后2～10 d，此时有多种不同类型的细胞增殖和迁移，如角质形成细胞、巨噬细胞、成纤维细胞及其分化而成的肌成纤维细胞等[48]。在此期间，各个修复进程同时发生，包括表皮细胞再生、血管生成以及重新形成细胞外基质，从而导致肉芽组织生成及伤口收缩[47-49]；另外，血管内皮生长因子A（VEGFA）及成纤维细胞生长因子2（FGF2）对血管的形成起到重要作用[48]。组织重塑是伤口愈合的最终阶段，从受伤后的2～3 周开始，可持续1 年或更长时间[48]。期间胶原蛋白缓慢分解、合成以及重塑[47]；细胞外基质则经历了从Ⅲ型胶原蛋白到Ⅰ型胶原蛋白的重塑[48]。

对于免疫力低的患者，多因素可导致切口愈合不良而形成慢性伤口，如糖尿病溃疡患者有高感染风险，且该风险持续存在[50]。因此，加速凝血或及时止血、预防感染以及加速血管再生，均对伤口愈合有决定性作用。BGs 通过与一些功能性离子相结合，在体内降解的过程中逐渐释放功能性离子，可以达到促进血管再生、抗感染并促进创面愈合等效果。

2.2 BGs 在软组织修复中的作用

根据BGs 与骨结合的特性，初期BGs 主要用于骨骼和牙齿的修复中[5]。Wilson 等[51]在1981 年首次发现BGs 与软组织结合的特性。1982 年，Merwin 等[52]发现BGs 与胶原蛋白结合的能力，并具有保护内皮细胞及增强缝隙连接并加速伤口愈合的能力[53]。BGs 可上调软组织修复相关基因的表达，如血管内皮生长因子（VEGF）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）和血管细胞黏附分子（VCAM）等。因此，除了大量骨相关的BGs研究，已有众多研究聚焦于BGs 在软组织修复中的作用。

如前文所述，BGs 包括硅酸盐、硼酸盐以及磷酸盐BGs，其中以硅酸盐，如SiO2为主要成分的BGs，在组织中不能完全降解，且降解速率慢。尽管如此，不可忽略的是，由于Si4+的存在，硅酸盐BGs 可以提高伤口局部pH 值并以此产生抗菌作用。Si4+还可以调控转化生长因子-β（TGF-β）、胶原蛋白Ⅰ和Ⅲ的表达并刺激新血管形成[26,54]。研究认为，可以通过改变硅酸盐浓度等方法以增强硅酸盐BGs 对软组织的生物活性[55]。如何通过改变硅酸盐浓度以达到生物活性和伤口修复能力之间的平衡，目前尚无统一定论。此外，Si4+对创面修复的具体分子机制还需进一步研究。

与硅酸盐BGs 相比，硼酸盐BGs 在创面修复中的作用更明显[31]，其在软组织修复中的生物活性较硅酸盐BGs 更高，主要体现在HCA 转化率及转化速率有所提高[31，56]。由于降解速率增快，钙离子随着硼离子一起快速释放，从而加速了凝血进程，因此创面愈合速度更快[57]。磷酸盐BGs 表现出良好的促进神经再生的能力[14，23]。由此可见，三种BGs 对软组织修复均有积极作用，虽然已经有诸多研究改进了BGs 并对其相关机制进行探究，但仍需要对BGs 在软组织修复中的作用及其相关机制进行深入研究。

在软组织修复中，生物活性玻璃纳米颗粒（Bioactive glass nanoparticles，BGN）促进软组织修复的机制与普通微米级BGs 类似，但BGN 的尺寸更小、表面积体积比更大，更容易制备成结构复杂的填充材料[58]。BGN 的特殊特性使其能更均匀紧密地与其他材料结合，如药物、生物分子等，所增加的表面积则有利于药物及生物分子的控制释放[58-59]。

3 展望

虽然目前关于BGs 的研究主要集中在骨缺损修复中，但其加速止血、抗炎、生血管、抗感染的作用，使人们对其创面修复的作用产生极大兴趣。BGs 本身的成分就复杂多变，加入其他辅助物质，如人造/天然聚合物、各种功能离子、药物以及生长因子等，能发挥不同效果以达到不同的修复目的。很明显，BGs 的成分及制造不存在一个通用标准，即某种成分比例的BGs 能在各个方面均达到最佳效果，如何通过调整材料成分、比例、大小、剂量等，以在不同修复机制下达到令人满意的效果，还需要深入探究。此外，虽然人们对伤口修复的机制有一定的理解，但目前仍存在尚未明确的机制。同样，BGs 对于复杂伤口的修复机制也需进一步探索。

创面修复研究的主要重点仍是快速形成健康组织，BGs在创面愈合的各个阶段均可产生一定的积极或消极影响，如局部pH 的改变等。此外，BGs 的成分和与BGs 结合的物质成分在某一方面可能会达到相同的治疗效果，两种治疗效果是叠加还是冗余尚需明确。伤口愈合是一种长期过程，从止血到伤口闭合，一直到瘢痕增生或消退，均属于伤口愈合的过程。BGs 能否（或是否有必要）在这种长期过程中持续发挥效力，并如何长期持续发挥作用，仍需进一步探究。