硅在生物材料领域的应用增加材料生物活性不影(3) - 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(3)

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研究发现，骨祖细胞在48 h内迁移至生物活性玻璃表面，开始产生Ⅰ型胶原等细胞外基质成分，并迅速矿化，体外培养6-12 d后，成骨细胞成熟形成骨细胞[29]。虽然活体外细胞在初始阶段的生长更慢，但是细胞形态和生长更多表现为成骨细胞表型，表明这些细胞的反应与它们在自然骨修复方式中的反应相似。Xynos等[30]的研究表明，成骨细胞在45S5生物活性玻璃表面生长2 d后，呈现出更紧密堆积状，有很多丝状伪足、背侧隆起和微绒毛，以及细胞激活特征和成骨细胞表型。生长在生物活性玻璃表面的成骨细胞也表现出较多凋亡，培养2 d后，生物活性玻璃表面的成骨细胞比培养在惰性生物材料表面的对照组细胞凋亡通常高5-7倍，反应了自然骨形成中的大量成熟成骨细胞凋亡[31]。

对培养在生物活性玻璃表面的细胞进行分析表明，在细胞周期的DNA合成期(S期)和合成后期(G2-M期)的成骨细胞数量是在生物惰性基体上生长的细胞的2倍[25]。Xynos等[30]通过对1 176个基因的cDNA微阵列分析表明，与对照组相比，45S5生物玻璃溶解的离子产物使60个转录产物水平增加2倍或更多，5个转录产物水平降低。显著上调的基因包括RCL(c-myc激活的生长相关基因)、细胞周期调控因子(如G1/S期特异性细胞周期蛋白D1)，以及细胞凋亡的调节器。其他显著上调的基因包括细胞表面黏附分子CD44和整合素β1，以及各种细胞外基质调节因子，包括金属蛋白酶2和金属蛋白酶4及其抑制剂TIMP-1和TIMP-2。与对照组相比，成骨细胞暴露于45S5生物玻璃化学提取物数小时后，胰岛素样生长因子(IGF)轴系统蛋白表达增加300%-500%[32]，表明成骨细胞能迅速感受到它们周围环境中钙和/或硅含量的变化。总的来说，溶液中的钙和硅离子被证明能够使200多种基因上调150%以上[30]。

生物玻璃为什么具有生物活性，有理论认为生物材料表面形成的硅酸盐和羟基磷灰石层为生物分子提供了吸附床。伤口周围细胞表达的分子如胰岛素样生长因子1[33]，骨形态发生蛋白2，骨形态发生蛋白4和血小板衍生生长因子bb[34]，可作为成骨细胞迁移、分化和黏附的趋化信号。有学者试图将这些分子结合在材料表面[35]，以提高这些分子在植入物表面的浓度，促进伤口愈合，从而提高植入物的生物活性。Misra等[36]的研究表明，45S5生物玻璃微粒子和纳米粒子能够增加胎牛血清蛋白吸附到聚-3-羟基丁酸酯表面。他们的研究发现，与微粒子相比，20%的生物玻璃纳米粒子可使蛋白吸附增加到30%。

吸附的蛋白活性是其在伤口部位发挥功能的关键，研究表明，吸附到生物玻璃-硅酸盐-羟基磷灰石层表面后，酶活性(如辣根过氧化物酶)持续存在[37]。Manzano等[38]的研究表明，当共价结合到含硅羟基磷灰石表面后，甲状旁腺激素相关蛋白(PTHrP)仍然保持活性。Soderling等[39]的理论认为生物材料的表面能和蛋白质吸附量与其生物相容性成正比。人体内有大量的更大分子阵列，蛋白吸附效应必定更加复杂。

2.5 硅酸盐溶胶-凝胶和多孔硅酸盐纳米粒子硅比例超过材料的60%时，熔融衍生的生物活性玻璃失去其骨接合能力，研究人员由此得出结论，硅相对于其成骨作用是最重要的。通过沉淀得到完全由硅组成的溶胶-凝胶，可确定玻璃类材料对成骨细胞的影响，而不受生物活性玻璃中其他离子成分的干扰影响。Anderson等[40]发现，与在组织培养板塑料表面的对照组相比，当成骨细胞在硅酸盐表面培养时，成骨细胞黏附于硅胶，而细胞增殖和其他代谢指标保持不变，骨结节(体外骨形成的一个特征)组装增加。李等[41]的研究进一步表明了硅胶表面能诱导磷灰石沉积，液体的pH值、钙/磷比例、镁、氟浓度等因素影响羟基磷灰石沉积的形态。硅胶表面形态对于细胞附着非常重要，除了蛋白吸附，纳米形貌可能影响细胞命运并影响骨样基质形成。溶胶-凝胶工艺过程可被用来制备介孔硅纳米颗粒，这在药物传递和体内成像领域备受关注的[42]。

2.6 多孔硅多孔硅一般是通过将硅片浸没在氢氟酸电解液中进行阳极处理形成[43]。按照孔径大小分为3种，孔直径小于2 nm的微孔，孔直径在2-50 nm之间的介孔和孔直径大于50 nm的大孔[44]。

许多学者对多孔硅在生物学领域的应用进行了研究，如用于药物控释[45]，以及放射性同位素肿瘤内近距离放射治疗不可手术且通常预后较差的肿瘤，如胰腺癌和肝癌[46]。对于肝癌，载有32P小颗粒的多孔硅注入到肿瘤内，可在局部提供非常集中的放射治疗。该技术正在后期(第三期)临床试验中。多孔硅颗粒在体内被降解成硅酸并过肾脏排泄[47]。多孔硅已被证明具有良好的生物相容性[48]，可支持多种类型的细胞在体外生长，如成骨细胞[49]、神经元细胞和肝细胞[50-51]。作为胃肠药物载体应用的扩展，多孔硅也可能是一种营养膳食补充剂[52]。

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