硅在生物材料领域的应用增加材料生物活性不影(2) - 硅酸盐学报杂志社投稿

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硅在生物材料领域的应用增加材料生物活性不影(2)

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研究表明，细胞内信号转导、基因表达和蛋白质合成的改变，至少可以部分由离子取代辅因子解释。例如，硅铝复合物阻止铝离子与铁离子竞争涉及胶原蛋白合成和功能的分子结合位点，如脯氨酰羟化酶[11-12]。Carlisle和Suchil[13]的研究表明，添加硅酸盐可使氨基己糖、脯氨酸和总蛋白含量增加，特别是有抗坏血酸存在时。

Lia和Changa[14]发现，硅酸钙释放硅离子可上调成纤维细胞和内皮细胞的血管内皮生长因子的表达，血管内皮生长因子可上调骨形态发生蛋白的表达[15]，因此，以往的研究某种程度上阐明了硅在骨骼和血管形成中的作用。硅还能抑制巨噬细胞和破骨细胞活性[16]，也可能是通过与抗坏血酸相互作用[17]。

2.2 羟基磷灰石中的硅取代骨盐一般被称为羟基磷灰石，骨中的钙/磷摩尔比与纯羟基磷灰石略有不同[18]。这是由于有许多其他原子和小分子取代基质中钙、磷离子所致，如镁和锶取代钙[19]，健康人骨中发现的取代分子大多数为碳酸盐、钠和镁[20]。除了碳酸盐，羟基残基可以被氯化物和氟化物取代[20]。各种不同的离子取代是由于羟基磷灰石作为一种矿物质的相对不稳定以及其与细胞外液接触的晶体表面积较大所致[20]。少量硅和其他元素的离子取代已被证明对热稳定性、溶解度、破骨细胞及成骨细胞的体外和体内反应具有显著影响[21]。

对患者饮食进行的研究表明，增加人体食物中硅含量，除了绝经后妇女，所有受试者髋部皮质骨的骨密度都增加了[22]。最高摄入量组(Si > 40 mg/d)和最低摄入量组(Si < 14 mg /d)髋部骨密度差异较大(达10%)，这为明确可生理性刺激骨生长的生物可利用硅的浓度提供了有用的数据。有趣的是，虽然脊椎松质骨通常被认为代谢上更敏感，研究者发现皮质骨受硅的影响很大，脊椎松质骨所受的影响却较小。研究者推断这可能是因为硅的作用是促进骨的合成代谢，而不是抑制破骨细胞的骨吸收作用[22]。

2.3 细胞外基质中的硅Schwarz[2]的研究表明，硅对细胞外基质中的糖胺聚糖的正常形成至关重要，有利于稳定复合多糖结构，通过硅醇键形成交联，从而调节这些分子的结构和功能。同时，Carlisle的研究表明，孵育12 d后，和缺少硅的鸡胚相比，添加了硅的鸡胚骨骼胶原含量增加了100%[4]。

有研究者利用硅缺乏的症状作为判断需要硅的生物学过程的一种方法。在这些研究中，骨骼发育异常成为最主要的症状[23]。对缺乏硅的鸡骨骼发育进行的研究表明可导致腿骨周径减小，骨皮质变薄和弹性降低[24]。分别采用硅充足和硅缺乏食物喂养小鸡4周，可发现硅缺乏对发育显著的生理影响。硅缺乏的鸡头颅形状异常[2]，看上去比正常颅骨平坦，缺少典型的条纹状骨小梁基质，代之的是紊乱的、结节状的不成熟骨的生长特性。

Carlisle[4]发现，硅位于年轻小鼠和大鼠的骨生长活跃区，在骨样组织中随着钙离子浓度增加同时增加。当骨骼成熟后，钙水平接些完全钙化骨，硅的水平减少。这表明，硅可能在有机基质发展和钙化起始中发挥作用。硅缺乏的动物中糖胺聚糖和胶原蛋白的浓度降低，而骨矿物成分基本未受影响，进一步证明了硅的这一作用。研究发现这些多糖的提取物在有些组织中与硅化学上相关[2]，表明细胞外基质中羟基磷灰石晶体形成前，硅可能发挥协调糖蛋白与胶原磷酸化反应的作用。

2.4 生物活性玻璃和成骨细胞对硅酸盐生物材料的反应Hench在20世纪60年代发现某些玻璃成分能与活体骨形成较强的化学键结合[25]，此后的报道主要对这些材料的生物相容性进行研究[26]。45S5生物活性玻璃(图2)硅含量低(< 60%)、钙/磷比例接近羟基磷灰石，有利于成骨细胞黏附和增殖，使玻璃进入愈合的骨痂中[25]。生物玻璃的存在可加强骨痂对横向运动和剪切力的抵抗，并逐渐溶解，以离子成分排出体外[25]。

图2 45S5生物活性玻璃模型片段(为清晰起见，去除了其中的钠离子和钙离子)[26]

研究已发现，少量硅对于生物活性玻璃的功能必不可少，可形成一个更开放的网状结构，这有利于离子与周围介质的相互作用，使其溶解及羟基磷灰石沉淀[27]。少量硅同时降低玻璃的软化温度并增加玻璃的热膨胀，这对于用这些材料作为金属植入物表面的生物活性涂层有不利影响，但可以通过改变玻璃成分的其他方面克服，例如添加K2O、MgO[27]。对生物活性玻璃制造进行的研究，绝大多数文献均关注于改变其组成，以满足医学工程的需要。

生物活性玻璃被称为“A类”生物活性材料，因为它可诱导植入体与宿主组织界面的细胞内和细胞外效应(B类生物活性材料只引发细胞外反应，如组织-材料界面骨生长的骨传导作用)。有研究提出，从玻璃支架植入骨缺损部位开始，生物活性玻璃引发的骨再生涉及12个反应阶段。1-5阶段为植入后24 h内，在交界部位快速释放硅酸等可溶性离子。随着硅酸在植入物表面周围聚集，浓度增加，可聚合成较大的聚合硅酸，最终从溶液中沉淀出来，形成水合硅胶[25]。同时，钙、磷和碳酸根离子从溶液中吸附到植入物表面，形成羟基磷灰石结晶，可促进成骨细胞丝状伪足黏附和成骨细胞增殖，并刺激成骨细胞产生旁分泌生长因子和形态发生蛋白，如骨形态发生蛋白[28]。

文章来源：《硅酸盐学报》网址: http://www.gsyxbzz.cn/qikandaodu/2021/0225/449.html