一、生物活性玻璃组成与结构

生物活性玻璃（bioactive glass），又称生物玻璃（bioglass），是一类具有表面反应活性的，能够用于人体组织修复、功能替代与再生、能使组织和材料之间形成键合作用的无机非金属生物材料（图9-1）。生物活性玻璃材料最初由美国佛罗里达大学生物材料科学家Larry L.Hench教授于20世纪70年代初研制成功，并成功应用于骨科和齿科临床。

生物活性玻璃的主要化学成分为Na₂O-CaOSiO₂-P₂O₅，并在此基础上发展出不同组分的生物活性玻璃材料，常见生物活性玻璃的组成如表9-1所示。

生物活性玻璃是具有无规则网络结构的非晶态固体材料，其X射线衍射（XRD）图谱表现为宽阔的弥散衍射峰，这是非晶态固体材料的典型特征（图9-2）。

根据玻璃结构理论，生物活性玻璃的网络是由硅氧四面体通过顶角上的桥氧（bridge oxygen，O_b）相互连接成的无规则三维网络（图9-3）。由于玻璃组成中含有较多的网络外体氧化物（Na₂O和CaO），导致玻璃结构网络中的断点较多，断点处的氧离子称为非桥氧（non-bridge oxygen，O_nb），呈负一价，Na⁺和Ca²⁺分布于网络断点周围，以维持材料内部结构的电中性。P₂O₅组分的存在则进一步导致玻璃网络中的断点增多，这是由于玻璃网络中的磷氧四面体[PO₄]中具有一个不对称的双键，双键处的氧离子因化合价饱和不能同硅氧四面体相连，从而也进一步使得玻璃网络断点增多。正是由于生物玻璃网络的非桥氧比例较高，导致玻璃网络中大量“断点”从而使玻璃在含水的生理环境中具有较高的化学活性，玻璃表面的Na⁺和Ca²⁺可以与水溶液中的H⁺发生快速的离子交换，最终在材料表面形成类骨的碳酸羟基磷灰石矿化层（HCA），生物活性玻璃通过此矿化层同宿主骨形成骨性结合。概括来看，生物活性玻璃与骨结合的过程归纳为如下12个步骤：

（1） 体液中的H⁺（或H₃O⁺）离子与玻璃表面的Na⁺发生离子交换；

（2） 玻璃表面硅羟团（≡Si—OH）形成；

（3） 硅羟团相互聚合≡Si—OH+HO—Si≡→≡Si—O—Si≡；

（4）Ca²⁺、、OH^-离子吸附在材料表面附近，并以无定形磷酸盐形式析出；

（5）晶化形成碳酸羟基磷灰石（Ca₁₀（PO₄，CO₃）₆（OH）₂，hydroxyl-carbonate-apatite，HCA）；

（6）各种生理物质吸附于HCA层；

（7） 巨噬细胞活动（action of microphages）；

（8） 成骨干细胞（osteoblast stem cells）附着；

（9）成骨细胞同步增殖和分化（synchronised proliferation and differentiation）；

（10） 基质生成；

（11） 基质晶化；

（12） 新骨生长。

生物活性玻璃的这种特殊组成和结构导致的高化学和生物活性对其骨结合特性和骨再生修复功能起到关键性作用。20世纪70—90年代的研究主要集中在生物活性玻璃制备、结构与性能表征、材料力学性质、生物矿化特性等方面，直到2000年后，对生物活性玻璃的研究逐渐扩展到微纳米生物活性玻璃、元素掺杂、硅基杂化材料、靶向控释载体的研制、材料与细胞相互作用、基因激活作用、促进组织再生修复机制等诸多方面。目前已成为生物材料研究的热点方向之一。