介孔生物活性玻璃（MBGs）具有良好的生物活性和降解性，是有前途的再生医学材料。本文通过改变SiO2-CaO-P2O5系统中SiO2（60~90mol%）、CaO和P2O5 （均为0~40mol%）的含量，并保持其它合成参数不变，合成了24种MBG。对介孔特征、降解性和生物活性进行了分析。结果表明，MBGs的化学计量比可以在很大范围内控制降解和生物活性，同时保持MBGs独特的结构参数相对不受影响。

01 研究内容简介

介孔生物活性玻璃采用溶胶-凝胶技术，与作为结构导向剂的表面活性剂相结合制备而成，为开发各种用途的多功能材料奠定了坚实的基础。与传统生物玻璃（BGs）相比，MBGs具有高度有序的5~20nm孔径的孔道系统、更大的孔体积和显著增加的比表面积。自21世纪初发明以来，MBGs已被提议用于各种生物医学应用，它可以单独使用，或者作为载体嵌入其它生物材料，利用其独特的细观结构递送药物和生物分子。

除了作为生物活性分子的递送载体，MBG本身降解也对生物过程有着积极的影响，特别是在骨再生的情况下，因为SiO2-CaO-P2O5系统中的硅、钙和磷酸盐，会影响诸如骨细胞增殖和分化等细胞过程。通过控制MBG的降解可以利用这种影响，即促进骨再生。此外，与溶胶-凝胶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组织反应中起着重要作用。因此，控制材料的生物活性行为可以微调材料的组织整合。为了进一步优化MBG材料在生物医学应用中的有效性，对MBG的降解性和生物活性这两个关键特性进行调整，同时保留介孔结构以允许药物递送是很重要的。

MBGs是通过硅酸盐和磷酸盐共价键结合的网络形成的，属于无定形材料。玻璃网络通过烷氧基硅烷逐步缩合过程中氧原子的桥接而形成。这导致网络的稳定性相对较低，因此降解性较高。钙作为网络改性剂，通过引入非桥接氧原子进一步破坏了玻璃网络。因此，在早期研究中发现，Ca含量的不同是导致MBG降解产生差异的原因之一。水环境中(M)BGs表面反应活性的差异也与Ca含量相关：Si—OCa键的水解和Ca离子的释放引发了一连串的表面反应，最终导致玻璃表面形成羟基磷灰石（HAP），即生物活性。磷酸盐在(M)BGs玻璃网络中具有双重作用。首先，磷酸盐四面体单元可以整合进玻璃网络中并作为第二网络的组成成分，从而提高网络连通性，抵抗降解。另外，磷酸盐也有助于反应活性。对于熔融得到的玻璃，0~10mol%的范围通常被认为是实现生物活性的先决条件，而在溶胶-凝胶得到的玻璃中，实现生物活性的成分范围更宽，并且在P以正磷酸盐离子的形式释放的前提下，增加P含量能够促进强烈的生物活性反应。此外，氧化钙和磷酸盐的存在会导致玻璃网络中形成无定形磷酸钙（CaP）簇合物，从而提高了玻璃的生物活性。然而，到目前为止，MBG的组成成分在较宽范围内对降解性和生物活性的影响还没有被系统的研究。

因此，本文旨在系统地研究MBG在较大的化学计量范围内（包括Ca/P比的变化）的性质。为此，通过改变SiO2含量（60~90mol%）和Ca/P比（0.5、1.0、1.5、2.0以及无Ca和无P玻璃）设计并制备了24种玻璃（表1），并小心地避免可能影响MBG性质的合成条件的差异。然后，我们分析了MBG的介孔结构、降解和生物活性，旨在得出这些参数与MBG化学计量比之间关系的一些一般性结论，以便有目的地选择合适的MBG组成成分用于再生医学的具体应用。

表1的所有配方都得到了清澈的溶胶。除了S70-C0和S60-C0没有形成凝胶，在随后的分析中被排除，所有材料在蒸发诱导自组装（EISA）过程中都凝固成脆性透明薄膜。经过热处理和研磨后，得到白色粉末。在600℃下煅烧3h后得到的XRD衍射图（图1）显示，所有材料均为无定形结构，23°附近集中的一个宽峰是SiO2玻璃的特征，另一个宽峰在30°附近，玻璃的SiO2含量越低以及Ca/P比越高，峰就越明显，这表明在这些玻璃网络中形成了无定形硅酸钙或磷酸钙。FTIR光谱（图2，虚线）进一步支持了磷酸钙的存在：1040cm-1和800 cm-1是SiO2玻璃的特征峰。除此以外，无定形磷酸钙在568和606cm-1附近的特征吸收带也被观测到，这一特征随着材料中SiO2含量的降低变得更加明显，而在无Ca和无P组中没有发现。

煅烧后的MBG的TEM图像如图3所示。根据TEM图像可以区分出四种不同的形貌：(a)平行排列和(b)蜂窝状排列的孔隙分别表示二维六方孔隙结构（p6mm）的[100]和[001]方向；(c)排列不整齐，蠕虫状排列；(d)无结构的孔隙。除了S90-C0只能发现二维六方晶格外，所有S90-y玻璃都有多种不同的有序区域。这得到了小角X射线散射（SAXS）结果（图5）的支持，对于同种玻璃，多个峰的存在表明有数个相共存。仅在S90-0.5样品中发现了额外的蠕虫状结构区域，对于S90-C0以及所有的S80-y和S70-y样品，主要发现了二维六方孔隙排列。这再次与SAXS一致，在SAXS中发现了与二维六方孔隙排列相关的单一极大值。S60系列的玻璃没有显示出任何有序的孔隙系统。此外，Ca/P比对孔的形成没有影响，而且Sx-C0和Sx-P0组分都能够形成有序的介孔。

N2吸附（图6）的结果进一步支持了这一点，在所有材料中都发现了IV型等温线，这是开放的介孔结构的特征，并且没有看到Ca/P比改变导致系统性变化。然而，在SiO2含量不同的组之间，介孔系统的差异是明显的：H1型滞后现象表明SiO2含量大于等于70mol%的玻璃中存在均匀的圆柱形开放介孔，而H2(a)和(b)型等温线表明S60-y玻璃中孔隙系统比较无序。

用BJH法通过N2吸附等温线计算了MBG的孔径和比孔容，用BET法测试了MBG的比表面积。结果表明，孔径与SiO2含量和Ca/P比无关；比表面积随玻璃中SiO2含量的减少而略有下降，与CaO和P2O5含量没有明显的依赖关系；同样，孔体积一般随着SiO2含量的减少而降低，但并不系统地取决于CaO和P2O5含量。

MBG在PBS中浸泡21天的降解情况如图7。所有材料都会随时间而降解，这从上清液中Si浓度的逐渐增加可以明显看出（图7a）。随着SiO2含量的降低，降解速率增加。对于同时含有CaO和P2O5的材料，Ca/P比越小，降解越不明显。在PBS浸泡期间，所有含CaO的玻璃都释放了Ca（图7b），尽管这一释放严重依赖于玻璃组成。一方面，Ca/P比的增加导致Ca的释放减少。然而，在Ca/P比不变的情况下，CaO和P2O5的含量越高，释放的Ca越多。最后，P浓度（图7c）在不同时间和不同材料之间只有很小的变化（±10ppm以内）。多项研究表明，MBGs与含Ca和P介质接触时，易在其表面形成矿物沉淀物。因此，需要考虑到这里确定的Ca和P的浓度图谱是释放和再沉淀的结果，实际释放量可能被低估，特别是Ca的释放。

在PBS中浸泡7天后得到的XRD光谱显示，所有含Ca的MBGs表面都形成了纳米晶体羟基磷灰石（HAP）（图8）。SiO2含量更低的玻璃中磷灰石的形成通常更为明显，这也意味着CaO含量更高。由于这种沉淀是在封闭系统中的无钙缓冲液形成的，所有用于矿物沉淀的钙都来自MBG，因此更高的释放导致更明显的矿物形成，这与上面讨论的释放数据是一致的。相应地，Sx-C0玻璃没有发现矿物形成。

在SBF中浸泡21天对MBG的生物活性（即矿物沉淀）和降解进行了进一步研究。浸泡期间没有发现Si的释放达到饱和，表明玻璃的降解是一个持续的过程（图9a）。在含CaO和P2O5的玻璃中，随着Ca/P比增加，玻璃的降解速率增加。有趣的是，降解速率与玻璃SiO2含量的显著相关性仅在Sx-P0中可见，其中S60-P0的降解速率最高，随着SiO2含量的增加降解速率降低。根据浸泡期间SBF中钙的浓度（图9b）可将MBGs分为钙释放材料（S60-1.0，Sx-1.5，Sx-2.0，Sx-P0）和钙结合材料。在Ca/P比恒定的各组中，SiO2含量的降低通常会提高Ca的释放。与此同时，含有Ca和P的MBGs上清液中的P浓度只随时间变化（图9c）。C0型MBGs在21天内持续释放P，而P0型表现出对P的持续吸收。Ca和P浓度的变化可归因于材料表面磷酸钙矿物的形成（生物活性）和材料降解导致的离子释放这两者的共同作用。总之，MBG的组成，特别是CaO和P2O5的含量，对玻璃的生物活性有很大的影响。

事实上，所有MBGs上都发现了矿物的形成，但在很大程度上取决于玻璃的组成。在SBF浸泡过程中，早期的表面反应有着较大的差异（图10）。当不含CaO或Ca/P很低的MBGs在24h内诱导HAP结晶时，所有其它组成的玻璃最初都倾向于形成方解石，这归因于这些玻璃中Ca2+的释放增加。7天后，所有材料上都发现了矿物沉积，尽管在本研究中没有对矿物形成的程度进行定量评估。

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