通过煅烧工艺调整溶胶-凝胶法制备的硼酸盐玻璃和玻璃陶瓷的结构与生物活性，以用于组织工程

《Inorganic Chemistry Communications》：Tailoring structure and bioactivity of sol-gel derived borate glasses and glass-ceramics through calcination for tissue engineering

硼酸盐生物活性玻璃（BBGs）经不同温度煅烧后形成玻璃陶瓷（BBGCs），通过溶胶-凝胶法制备并分析其结构、生物活性和细胞相容性。研究发现，煅烧温度影响孔径分布和羟基磷灰石（HAp）沉积，750-800℃时HAp层更致密且覆盖结晶相（CaB2O4、Li2B4O7、Ca3(PO4)2），同时保持血液相容性（溶血率<5%）和细胞增殖优势。

　　近年来，生物活性玻璃（Bioactive Glasses, BGs）因其独特的性能在组织工程领域中得到了广泛的关注。这类材料能够与生物组织形成稳定的结合，促进细胞增殖、组织再生，并具有抗菌、抗炎等特性，因此被广泛应用于骨修复、药物递送以及伤口愈合等多个领域。其中，硼酸生物活性玻璃（Borate Bioactive Glasses, BBGs）作为一种新型的生物材料，因其在控制降解、离子释放以及促进组织再生方面的优势，正在成为研究的热点。本文重点探讨了BBGs在不同煅烧温度下的结构与生物特性变化，为开发适用于软组织和硬组织工程的新型材料提供了理论依据。

硼酸生物活性玻璃通常由B?O?、CaO、Li?O和P?O?等成分组成，这些成分在玻璃结构中扮演着不同的角色。B?O?作为玻璃形成体，不仅能够降低玻璃的熔融温度，还能提高其热稳定性和离子释放速率，这对于促进羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HAp）的形成和生物活性至关重要。CaO则作为网络修饰剂，有助于钙离子的释放，而P?O?则提供磷酸基团，促进钙磷层的形成，从而增强骨整合和矿化能力。Li?O的引入则能够改善玻璃的网络连接性，提高化学稳定性，并促进离子交换过程，这对骨再生和组织修复具有积极影响。此外，Li?O还能影响玻璃的结晶行为，从而调控其降解速率和生物活性。

在本研究中，采用溶胶-凝胶法合成了一种具有特定化学组成的硼酸生物活性玻璃，其组成为55B?O?–30CaO–10Li?O–5P?O?（按摩尔百分比计）。随后，将这些玻璃样品在600、650、700、750和800?°C的不同温度下进行煅烧处理，以研究温度对玻璃结构和生物特性的影响。通过一系列的表征技术，如氮气吸附-脱附实验（BET）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）等，对玻璃的结构和表面特性进行了深入分析。

BET分析结果表明，随着煅烧温度的升高，玻璃的比表面积和孔径呈现出一定的变化趋势。特别是在600?°C煅烧的样品中，比表面积和孔径较大，这有利于离子的持续释放和细胞的接触。而随着温度的进一步升高，如750和800?°C，孔径逐渐减小，比表面积降低，但HAp层的形成更为密集和显著。这说明在较高温度下，玻璃的结构更加致密，其生物活性也相应增强。同时，XRD和FTIR分析进一步证实了温度对玻璃结构的影响，尤其是在750和800?°C下，HAp层的形成与玻璃中的结晶相如CaB?O?、Li?B?O?和Ca?(PO?)?密切相关。

FESEM图像则展示了玻璃表面的微观结构变化。在较低温度下，玻璃表面较为粗糙，而随着煅烧温度的升高，表面变得更加光滑。这可能与玻璃的结晶过程和孔隙结构的变化有关。同时，HAp层的沉积情况也随着温度的变化而有所不同。在750和800?°C下，HAp层的沉积更为均匀和致密，这表明这些温度下的玻璃具有更高的生物活性。此外，HAp层的形成不仅有助于骨组织的整合，还能促进软组织的修复，因此这些温度下的玻璃在生物医学应用中具有更大的潜力。

在生物相容性方面，通过血液相容性实验和细胞活力实验，对BBGs的生物安全性进行了评估。血液相容性实验结果显示，所有BBGs均表现出良好的生物相容性，没有引起明显的溶血效应，溶血率均低于5%。这表明这些玻璃材料在体内环境中不会对血液系统造成不良影响。而细胞活力实验则通过将MG-63成骨细胞与BBGs共培养，评估了其对细胞增殖和存活的影响。结果显示，BBGs表现出优异的细胞相容性，对细胞无毒性，且能够促进细胞的增殖。这进一步验证了BBGs在组织工程中的应用前景。

此外，研究还探讨了BBGs在不同煅烧温度下的降解行为。通过浸泡在模拟体液（Simulated Body Fluid, SBF）中的实验，观察了玻璃在体液中的溶解情况。结果表明，随着煅烧温度的升高，玻璃的降解速率逐渐减小，这可能与玻璃结构的致密化有关。在750和800?°C下，玻璃的降解行为更为可控，这使得其在生物医学应用中具有更高的稳定性。同时，HAp层的形成也表明了玻璃在体液中的生物活性，这种活性对于组织的再生和修复至关重要。

硼酸生物活性玻璃的生物活性主要来源于其能够释放有益的离子，如钙和硼。这些离子在体内环境中能够促进细胞的生理活动，如成纤维细胞的增殖和血管生成，从而加速伤口的愈合。硼作为一种微量元素，在人体中具有重要的生理功能，包括心理运动活动、免疫调节、骨形成以及胚胎发育等。因此，硼的引入不仅能够增强玻璃的生物活性，还能促进组织的修复和再生。

在软组织修复方面，硼能够通过促进细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）的再上皮化，提高生长因子和炎症因子的分泌，从而加速伤口的愈合。此外，硼还能调节蛋白质和胶原的释放，这对伤口的修复具有积极作用。因此，硼酸生物活性玻璃在软组织修复中的应用前景广阔。相比之下，传统的硅酸盐基生物活性玻璃虽然在骨修复方面具有一定的优势，但其溶解速率较慢，生物活性相对较低。因此，硼酸基玻璃在软组织修复中的应用更具潜力。

本研究中，选择55B?O?–30CaO–10Li?O–5P?O?作为BBGs的组分，是基于其相比传统45S5组成具有更多的优势。首先，B?O?的引入能够降低玻璃的熔融温度，提高其热稳定性和离子释放速率，这对于促进HAp的形成和生物活性至关重要。其次，Li?O的加入能够改善玻璃的网络连接性，提高其化学稳定性，并促进离子交换过程，这对骨再生和组织修复具有积极影响。此外，P?O?的加入能够提供磷酸基团，促进HAp的成核和生长，从而增强玻璃的生物活性。因此，这种组分的玻璃在生物医学应用中具有更高的适应性和功能性。

在实际应用中，硼酸生物活性玻璃已被广泛应用于伤口敷料领域，并获得了美国食品药品监督管理局（FDA）的批准，如13-93B3配方，被命名为MIRRAGEN。这种玻璃材料在治疗急性和慢性伤口方面表现出良好的效果，特别是在糖尿病溃疡等复杂伤口的治疗中，其效果优于传统治疗方法。这表明，硼酸生物活性玻璃不仅在骨修复方面具有应用潜力，还在软组织修复和伤口愈合中展现出重要的价值。

为了进一步优化BBGs的性能，研究还探讨了其在不同煅烧温度下转化为玻璃陶瓷（Borate Bioactive Glass Ceramics, BBGCs）的过程。通过XRD分析，观察到随着煅烧温度的升高，玻璃中的结晶相逐渐增多，这表明玻璃的结构发生了显著的变化。此外，BET分析结果显示，煅烧温度对玻璃的孔隙结构和比表面积有重要影响，这进一步影响了其离子释放和生物活性。因此，煅烧温度的选择对于BBGs的性能优化至关重要。

在生物医学应用中，BBGs和BBGCs的结构和生物特性需要与实际应用需求相匹配。例如，在骨修复中，玻璃需要具备良好的生物活性和离子释放能力，以促进HAp的形成和骨整合。而在软组织修复中，玻璃则需要具备较高的表面活性和孔隙结构，以促进细胞的接触和增殖。因此，通过调整煅烧温度，可以优化玻璃的结构和性能，使其更适用于不同的生物医学应用。

此外，研究还比较了硼酸基玻璃与硅酸盐基玻璃在生物活性和降解行为上的差异。硅酸盐基玻璃虽然在骨修复方面具有一定的优势，但其溶解速率较慢，生物活性相对较低。而硼酸基玻璃由于其更快的溶解速率和更高的离子释放能力，在软组织修复中的应用更具潜力。因此，随着生物医学应用的不断扩展，硼酸基玻璃正在成为一种重要的替代材料。

综上所述，本研究通过溶胶-凝胶法合成了一种具有特定化学组成的硼酸生物活性玻璃，并在不同煅烧温度下对其结构和生物特性进行了系统分析。研究结果表明，硼酸基玻璃在不同温度下的结构和性能呈现出显著的变化，这为开发适用于软组织和硬组织工程的新型材料提供了理论依据。此外，研究还强调了硼酸基玻璃在生物医学应用中的潜力，特别是在伤口愈合和组织再生方面的应用。未来的研究可以进一步探索如何通过优化玻璃的组成和煅烧条件，提高其生物活性和功能性，从而拓展其在生物医学领域的应用范围。