介孔生物活性玻璃（MBGs）具有良好的生物活性和降解性，是有前途的再生醫學材料。本文通過改變SiO2-CaO-P2O5系統中SiO2（60~90mol%）、CaO和P2O5 （均為0~40mol%）的含量，并保持其它合成參數不變，合成了24種MBG。對介孔特征、降解性和生物活性進行了分析。結果表明，MBGs的化學計量比可以在很大范圍內控制降解和生物活性，同時保持MBGs獨特的結構參數相對不受影響。

01 研究內容簡介

介孔生物活性玻璃采用溶膠-凝膠技術，與作為結構導向劑的表面活性劑相結合制備而成，為開發各種用途的多功能材料奠定了堅實的基礎。與傳統生物玻璃（BGs）相比，MBGs具有高度有序的5~20nm孔徑的孔道系統、更大的孔體積和顯著增加的比表面積。自21世紀初發明以來，MBGs已被提議用于各種生物醫學應用，它可以單獨使用，或者作為載體嵌入其它生物材料，利用其獨特的細觀結構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，因為SiO2-CaO-P2O5系統中的硅、鈣和磷酸鹽，會影響諸如骨細胞增殖和分化等細胞過程。通過控制MBG的降解可以利用這種影響，即促進骨再生。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中起著重要作用。因此，控制材料的生物活性行為可以微調材料的組織整合。為了進一步優化MBG材料在生物醫學應用中的有效性，對MBG的降解性和生物活性這兩個關鍵特性進行調整，同時保留介孔結構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鍵結合的網絡形成的，屬于無定形材料。玻璃網絡通過烷氧基硅烷逐步縮合過程中氧原子的橋接而形成。這導致網絡的穩定性相對較低，因此降解性較高。鈣作為網絡改性劑，通過引入非橋接氧原子進一步破壞了玻璃網絡。因此，在早期研究中發現，Ca含量的不同是導致MBG降解產生差異的原因之一。水環境中(M)BGs表面反應活性的差異也與Ca含量相關：Si—OCa鍵的水解和Ca離子的釋放引發了一連串的表面反應，最終導致玻璃表面形成羥基磷灰石（HAP），即生物活性。磷酸鹽在(M)BGs玻璃網絡中具有雙重作用。首先，磷酸鹽四面體單元可以整合進玻璃網絡中并作為第二網絡的組成成分，從而提高網絡連通性，抵抗降解。另外，磷酸鹽也有助于反應活性。對于熔融得到的玻璃，0~10mol%的范圍通常被認為是實現生物活性的先決條件，而在溶膠-凝膠得到的玻璃中，實現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含量能夠促進強烈的生物活性反應。此外，氧化鈣和磷酸鹽的存在會導致玻璃網絡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對降解性和生物活性的影響還沒有被系統的研究。

因此，本文旨在系統地研究MBG在較大的化學計量范圍內（包括Ca/P比的變化）的性質。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）設計并制備了24種玻璃（表1），并小心地避免可能影響MBG性質的合成條件的差異。然后，我們分析了MBG的介孔結構、降解和生物活性，旨在得出這些參數與MBG化學計量比之間關系的一些一般性結論，以便有目的地選擇合適的MBG組成成分用于再生醫學的具體應用。

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，所有材料在蒸發誘導自組裝（EISA）過程中都凝固成脆性透明薄膜。經過熱處理和研磨后，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構，23°附近集中的一個寬峰是SiO2玻璃的特征，另一個寬峰在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絡中形成了無定形硅酸鈣或磷酸鈣。FTIR光譜（圖2，虛線）進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組中沒有發現。

煅燒后的MBG的TEM圖像如圖3所示。根據TEM圖像可以區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構（p6mm）的[100]和[001]方向；(c)排列不整齊，蠕蟲狀排列；(d)無結構的孔隙。除了S90-C0只能發現二維六方晶格外，所有S90-y玻璃都有多種不同的有序區域。這得到了小角X射線散射（SAXS）結果（圖5）的支持，對于同種玻璃，多個峰的存在表明有數個相共存。僅在S90-0.5樣品中發現了額外的蠕蟲狀結構區域，對于S90-C0以及所有的S80-y和S70-y樣品，主要發現了二維六方孔隙排列。這再次與SAXS一致，在SAXS中發現了與二維六方孔隙排列相關的單一極大值。S60系列的玻璃沒有顯示出任何有序的孔隙系統。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）的結果進一步支持了這一點，在所有材料中都發現了IV型等溫線，這是開放的介孔結構的特征，并且沒有看到Ca/P比改變導致系統性變化。然而，在SiO2含量不同的組之間，介孔系統的差異是明顯的：H1型滯后現象表明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玻璃中孔隙系統比較無序。

用BJH法通過N2吸附等溫線計算了MBG的孔徑和比孔容，用BET法測試了MBG的比表面積。結果表明，孔徑與SiO2含量和Ca/P比無關；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系；同樣，孔體積一般隨著SiO2含量的減少而降低，但并不系統地取決于CaO和P2O5含量。

MBG在PBS中浸泡21天的降解情況如圖7。所有材料都會隨時間而降解，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），盡管這一釋放嚴重依賴于玻璃組成。一方面，Ca/P比的增加導致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）在不同時間和不同材料之間只有很小的變化（±10ppm以內）。多項研究表明，MBGs與含Ca和P介質接觸時，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果，實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，因此更高的釋放導致更明顯的礦物形成，這與上面討論的釋放數據是一致的。相應地，Sx-C0玻璃沒有發現礦物形成。

在SBF中浸泡21天對MBG的生物活性（即礦物沉淀）和降解進行了進一步研究。浸泡期間沒有發現Si的釋放達到飽和，表明玻璃的降解是一個持續的過程（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）和鈣結合材料。在Ca/P比恒定的各組中，SiO2含量的降低通常會提高Ca的釋放。與此同時，含有Ca和P的MBGs上清液中的P濃度只隨時間變化（圖9c）。C0型MBGs在21天內持續釋放P，而P0型表現出對P的持續吸收。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。

事實上，所有MBGs上都發現了礦物的形成，但在很大程度上取決于玻璃的組成。在SBF浸泡過程中，早期的表面反應有著較大的差異（圖10）。當不含CaO或Ca/P很低的MBGs在24h內誘導HAP結晶時，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，所有材料上都發現了礦物沉積，盡管在本研究中沒有對礦物形成的程度進行定量評估。

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