45S5生物活性玻璃与锶钙硅酸盐玻璃对人牙龈成纤维细胞72小时内的细胞毒性比较

《Dental Materials》：Comparative cytotoxicity of 45S5 bioactive glass and strontium-calcium silicate glass on human gingival fibroblasts over 72?h

本研究比较了熔融制备的45S5生物活性玻璃与Sr40钙锶混合玻璃的离子释放行为及 conditioned media pH 变化，并评估其对牙龈成纤维细胞（GF）的细胞毒性。结果显示，45S5玻璃在24小时内pH从7.5骤升至8.7，随后保持稳定，而Sr40的pH变化较小（7.5→7.8）。45S5 conditioned media在1、3、5天均显著增加LDH释放，显示较高细胞毒性；Sr40在相同时间内未观察到显著毒性。研究证实Sr40玻璃的生物相容性优于45S5，其较低的pH波动和离子释放可能更适合作为种植体涂层材料。

　　本研究探讨了两种生物活性玻璃——熔融法制备的45S5玻璃和含锶的钙硅玻璃（Sr40）在体外培养基中的离子释放行为和pH变化，以及它们对牙龈成纤维细胞（gingival fibroblast, GF）的细胞毒性影响。研究结果表明，Sr40玻璃在保持细胞活性方面表现出更优的性能，这使其成为一种更安全的牙科种植体涂层材料候选。这些发现对开发更有效的生物活性材料具有重要意义，特别是在提升种植体与周围组织的整合能力以及降低感染风险方面。

### 生物活性玻璃的背景与作用

生物活性玻璃（bioactive glass）因其独特的生物相容性和促进组织修复的能力，被广泛应用于骨科和牙科领域。这类材料能够在与体液接触后形成羟基磷灰石（hydroxycarbonate apatite, HCA）层，从而与骨组织发生化学键合，提高植入物的稳定性。在牙科应用中，生物活性玻璃常被用作空气喷砂（air abrasion）的介质，通过物理方式将玻璃颗粒附着在钛种植体表面，以增加其表面粗糙度和生物活性。这一过程不仅能够释放钙、磷等关键离子，还可能促进HCA的形成，从而增强骨整合（osseointegration）的效果。

然而，尽管生物活性玻璃在促进骨形成方面具有优势，但其在体外环境中释放的高浓度钠离子可能对细胞产生毒性作用。例如，45S5玻璃含有高达24 mol%的Na?O，这种高钠含量使得玻璃在浸入溶液后迅速释放钠离子，与溶液中的质子发生交换，从而导致培养基pH值显著升高。研究表明，当pH值超过8时，会对多种细胞的生长和代谢产生不利影响，甚至导致细胞死亡。因此，尽管生物活性玻璃在促进骨整合方面具有潜力，但其可能带来的细胞毒性问题仍然是需要解决的关键挑战。

### 研究对象与方法

为了评估不同生物活性玻璃对细胞毒性的影响，本研究选择了两种玻璃材料：45S5玻璃和Sr40玻璃。这两种玻璃均通过熔融淬火法（melt quenching）制备，该方法能够快速冷却熔融的玻璃材料，以获得高度均匀的微观结构。研究中使用的玻璃颗粒粒径小于38 μm，以便更好地模拟实际应用中的颗粒行为。

在实验中，将玻璃颗粒浸入牙龈成纤维细胞（GF）培养基中，观察其在不同时间点的离子释放情况和pH变化。实验持续时间为72小时，每隔一段时间测量一次pH值和离子浓度。随后，将GF细胞接种在24孔板中，并在1、3和5天后暴露于不同玻璃条件下的培养基中，以评估其对细胞活性的影响。细胞毒性通过乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）释放量进行检测，LDH是一种细胞膜完整性标志物，其释放量越高，表示细胞受损越严重。

### 研究结果与分析

实验结果显示，45S5玻璃在培养基中表现出更强的离子释放能力和pH上升趋势。在24小时内，45S5玻璃的pH值从初始的7.5迅速上升至8.7，随后在接下来的72小时内保持稳定。相比之下，Sr40玻璃的pH变化则较为温和，仅从7.5上升至7.6，并在72小时内逐渐增加至7.8。这种差异表明，45S5玻璃的高钠含量可能促使其更快地与培养基中的质子发生交换，从而导致更显著的pH变化。

此外，离子释放的分析也显示，45S5玻璃释放的钠离子浓度在72小时内达到最高值，约为10.03 mmol/L。而Sr40玻璃虽然也释放钠离子，但其释放速率和浓度均低于45S5。这种差异可能与两种玻璃的化学组成有关。45S5玻璃主要由二氧化硅（SiO?）、氧化磷（P?O?）、氧化钙（CaO）和氧化钠（Na?O）组成，而Sr40玻璃则在其中加入了适量的锶（SrO），以平衡钠的释放速率，同时维持其生物活性。

在细胞毒性方面，45S5玻璃条件培养基对GF细胞的影响更为显著。在1天和3天时，暴露于45S5玻璃条件培养基的GF细胞表现出显著的LDH释放，表明细胞膜受损，细胞活性下降。而在5天时，LDH释放量仍然高于对照组（无玻璃条件培养基），进一步说明45S5玻璃的毒性作用可能随时间累积。相比之下，Sr40玻璃条件培养基对GF细胞的影响则较为轻微，仅在5天时显示出显著的LDH释放，表明其对细胞的毒性作用相对较低，且具有更好的长期生物相容性。

### Sr40玻璃的优势与潜力

Sr40玻璃在保持细胞活性方面表现出更优的性能，这使其成为一种更有潜力的牙科种植体涂层材料。研究结果表明，尽管Sr40玻璃在离子释放和pH变化方面不如45S5玻璃显著，但其对GF细胞的毒性作用明显低于45S5玻璃。这一发现与以往的研究结果相吻合，即适量的锶离子可以促进骨形成，同时减少骨吸收。此外，锶离子还具有一定的抗菌活性，尤其对常见的革兰氏阴性菌具有抑制作用，这在牙科种植体的感染控制方面具有重要意义。

然而，需要注意的是，尽管Sr40玻璃在短期内对GF细胞的毒性较低，但其效果并非完全一致。在5天时，Sr40玻璃条件培养基的LDH释放量显著增加，表明其对细胞的毒性作用可能在更长的时间内逐渐显现。因此，在实际应用中，需要进一步评估Sr40玻璃在不同时间尺度下的生物相容性，以确保其在长期使用中的安全性。

### 研究的意义与应用前景

本研究的结果对生物活性玻璃在牙科种植体中的应用具有重要的指导意义。首先，它揭示了不同玻璃材料在离子释放和pH变化方面的差异，为优化玻璃配方提供了依据。例如，通过调整锶的含量，可以有效降低钠的释放速率，从而减少对细胞的毒性影响。其次，研究结果表明，Sr40玻璃在保持细胞活性方面优于45S5玻璃，这为其作为更安全的种植体涂层材料提供了支持。

此外，本研究还强调了牙龈成纤维细胞在种植体周围组织形成中的重要作用。牙龈成纤维细胞是牙龈组织的主要细胞类型之一，它们在维持牙龈健康和防止细菌侵入方面发挥关键作用。因此，确保这些细胞在暴露于生物活性玻璃条件培养基时的活性，对于促进种植体周围组织的正常修复和防止感染至关重要。

在实际应用中，生物活性玻璃的使用不仅需要考虑其对骨组织的促进作用，还应评估其对周围软组织的影响。例如，空气喷砂过程中，玻璃颗粒可能会暴露在牙龈组织中，从而影响牙龈细胞的活性。因此，开发一种既能促进骨形成，又不会对牙龈细胞造成明显毒性影响的生物活性玻璃，是当前研究的一个重要方向。

### 未来研究方向

尽管本研究提供了重要的数据，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，不同玻璃配方对其他细胞类型（如成骨细胞或成骨细胞前体细胞）的影响是否与对GF细胞的影响类似？此外，玻璃颗粒的大小、形状和表面特性是否会影响其离子释放行为和细胞毒性？这些问题的答案将有助于更全面地理解生物活性玻璃的生物学行为，并为临床应用提供更可靠的依据。

同时，还需要进一步研究Sr40玻璃在不同浓度和时间下的生物相容性。例如，是否存在某个浓度范围，使得Sr40玻璃既能有效促进骨形成，又不会对牙龈细胞造成明显毒性？此外，Sr40玻璃是否能够与其他生物活性材料（如陶瓷或聚合物）结合使用，以进一步提高其生物相容性和功能性？

### 结论

综上所述，本研究通过对比45S5玻璃和Sr40玻璃在体外条件下的离子释放行为和pH变化，以及它们对牙龈成纤维细胞的细胞毒性影响，揭示了Sr40玻璃在保持细胞活性方面的优势。这一发现为开发更安全、更有效的生物活性玻璃材料提供了新的思路，特别是在牙科种植体的应用中。未来的研究可以进一步探索不同玻璃配方的生物学行为，以及它们在不同时间尺度下的影响，以期为临床应用提供更全面的指导。