施孟超、吴成铁

中国科学院上海硅酸盐研究所

1.   战火硝烟中的奇妙构想-生物活性玻璃的诞生

1967年的一天下午，时任佛罗里达大学助理教授的Larry Hench正乘坐巴士前往纽约参加美国军方的一次材料研究大会。在车上他遇到了一位老朋友，刚从越南战场回来的医学专家Colonel Klinker。老友相见相谈甚欢，Hench教授滔滔不绝的介绍起了自己正在进行的能够抵御高能辐射的新材料，听罢，Colonel Klinker陷入了沉思，片刻之后，他问Hench：“如果你能做出这样一种暴露在高能射线中依然能工作的材料，那你能不能做出一种能够在人体内也正常作用的材料？”随后，他说起了他在越南见到的种种惨象。在战火四起硝烟弥漫的战场，好多年轻的士兵们受伤惨烈，远远看去，他们中的大部分血肉模糊，无情的炮弹夺走了他们健康的躯体，身上、腿上、手上大大小小的伤痕和窟窿。医生们能够给他们止血，截肢来保全性命，伤口愈合长出疤痕，然而缺失的骨头却再也无法长好。当时的医疗条件，放进体内作为替代的金属或塑料的假体，遭到了身体很强的抵抗，种种副作用和并发症加剧了士兵们的伤痛。深受触动的Hench教授一下子感受到了迫切的使命感和突破创新的动力。在开完大会之后，他立马回到了自己的大学实验室，随后不久他向美国军方的医学研究机构提交了他的研究方案，并很快获得了军方的资助。

图一. 45S5生物活性玻璃的发明者Larry Hench教授（图片来自网络）

针对这种能被人体自身接纳的新材料的研究进行的如火如荼。根据当时人们对自身骨头成分的了解，Hench教授和他的团队利用相似的成分尝试合成新的物质。经过了多次的尝试和反复的改进，他们得到了主要由氧化硅、氧化钙、氧化钠和五氧化二磷等组成的化合物。他们把制得的新材料植入动物体内进行尝试。Hench的合作者外科医生Ted Greenlee教授在实验过程中发现，这种神奇的新材料在植入大鼠的骨缺损部位六个星期后，就能够与周边的骨头牢牢的长在一起，不管是推，拉还是用力挤压，甚至通过大力的敲击，都不能把他们与自体的骨组织分开。随后，Hench和他的团队对这种材料进行了进一步深入的分析，检测了其精确的成分组成，并在1971年的时候在科学期刊the Journal of Biomedical Materials Research上首次发表了针对这种新材料的系统性研究成果。这种被命名为45S5生物活性玻璃的新材料，成功的进入人们的视线并引起了材料学界和医学界的广泛兴趣。三四年时间的集中突破取得的惊人成果，直接锁定了美国军方对这一项目的之后长达十年的慷慨投资，也为至今为止50余年的全世界范围内的生物活性玻璃研究拉开了序幕。

2.   与人体组织的亲密接触-生物活性玻璃的作用

那么，究竟是什么神奇的东西组成了这种特殊的生物活性材料呢？为什么它能够在这么短的时间内与人体的骨组织建立如此密切的联系呢？下面，让我们走近一点，再近一点，一起来揭开生物活性玻璃的神秘面纱。

首先我们简单讲讲人体的骨头。与另一个它的好兄弟牙齿相似，骨头是人体最坚硬的组织之一。它支撑起了我们身体的各个部分，不仅保护着我们身体里的其他重要器官，也让运动成为了可能。把这种看似简单坚硬的骨组织放到扫描电子显微镜下观察，我们就会发现，骨头不仅仅是单一的结构，他的内部，就像我们建房子用的钢筋混凝土一样，这种类似于钢筋的结构叫做胶原纤维，另一种含有钙、磷等主要成分的无机物则像混凝土一样，与胶原钢筋有序的排列结合，形成了坚固的骨头。而生物活性玻璃，正是模仿了这种组成骨的无机成分，选择合适的比例，将富含钙、磷、硅、钠等各种氧化物的粉末进行磨细混合，并在1300-1500摄氏度的马弗炉中进行熔融烧结，最终得到了这种含有45%氧化硅，24.5%氧化钙，24.5%氧化钠和6%五氧化二磷的新型玻璃。

图2. 左：扫描电子显微镜下的生物玻璃粉体；右：组成生物玻璃的原子结构示意图。

正是这种复合了多类无机物的新材料，在植入人体之后，都能够发挥自己独特的作用。简单的来说，当这种生物玻璃与体液接触后，其中包含的钠离子会首先进入到周围环境中，材料表面的二氧化硅则会与周围环境中的水结合，带上了负电荷，并吸引了在周围游走的带有正电荷的蛋白质，以及游走的带有正电荷的钙离子和负电的磷酸根离子。就这样，一方面，周围体液中的离子们纷纷赶来，另一方面，植入的材料又在周围环境的鼓励下渐渐溶解，离子在材料表面富集，渐渐的形成了一层与人体骨头中的混凝土无机物相似的结构。而这些溶出的离子，也在影响着周围细胞的生命活动，细胞在受到刺激的情况下分泌出了多种能够促进骨头再生的物质。混凝土层与骨头中的胶原纤维长在一起，也就把这种新材料与骨头牢牢的结合在了一起。

这种结合的作用首先被用在了小块骨头缺损的治疗中，人们将成熟的生物活性玻璃粉末田填充在缺失部位，新的骨头在一段时间后就能长起来。这样的应用包括了中耳小骨的修复，牙周缺损的修复，以及脊椎假体的制作和胸骨缺损的治疗和修复。人们将这种神奇的玻璃用在战争中受伤的士兵身上，用在地震中失去身体部位的伤者身上，挽救了无数的生命，也创造了无数的奇迹。

3.   意气风发的勇敢小卫士-生物活性玻璃的未来

就像我们在课本中学到的，事物总是在不断变化发展的。生物活性玻璃，这种有着几十年生命的神奇材料，也在科学技术的不断进步中迎来了自己一次又一次的创新革命。

早些年的生物玻璃，都是用混合粉末再高温煅烧的方式进行合成制备。然而这种方法不仅需要特殊的设备，而且需要很高的温度，也就意味着要消耗大量的资源。二十世纪九十年代后发展起来的一种新的化学合成方法-溶胶凝胶技术，被引入到了生物玻璃的制作中。人们不再需要固体的氧化物粉末，取而代之的是液体的化学试剂，在一些特殊的酸或者碱的帮助下，这些化学试剂能够形成黏黏的胶状物质，把这种胶状物质干燥后，只需要在几百度的温度下煅烧，就能获得相似的生物活性玻璃材料。这样一来，不仅降低了对于设备的要求，也大大降低了实验的温度要求，能够节约大量的能源，也保护了地球环境。

这种新的合成方法带来的另一个好处是，在选择反应液体的过程中，生物活性玻璃的组成成分可以进行更自由的变化调节。人们可以针对不同的需求，去定制各种各样的生物玻璃。更厉害的地方在于，如果在这种合成过程中加入一类叫表面活性剂的特殊化学物质，就能改变生物玻璃的结构，让生物玻璃成为带有内部的通道，这种新型的生物玻璃也有个新的名字，叫做介孔生物玻璃。这种内部的通道，就像哆啦A梦的神奇口袋一样，可以装进去各式各样的新奇小玩意-具有特殊治疗功能的药物。这就仿佛给生物玻璃插上了一双翅膀，使它在修复骨头缺损的同时，有了更加强大的力量。

当然，插上了翅膀的生物玻璃在如今，已经不单单是用来治疗各种与骨头有关的疾病才用到的秘密武器了。科学家们在不断的研究中发现，生物玻璃对于人们的口腔健康也有着十分重要的影响。把它加入到牙膏中，可以起到消炎止血，加速口腔溃疡愈合的作用。不仅如此，它还能坚固，美白牙齿，消除口腔异味等，相关的最新产品在美国被誉为牙膏工业的最新革命。生物玻璃对于皮肤的伤口愈合也显示了它独特的能力。把这种生物玻璃与其他的凝胶材料结合起来使用，能够作为伤口的治疗产品，防止皮肤溃疡，糜烂等不良现象的发生。

图3. 三维打印成特殊结构的生物玻璃支架用于骨头修复(ActaBiomater2011;7:2644–2650)。

而在还看不到成熟产品的实验室里，科学家们正在对生物玻璃进行更丰富的改进和调节，他们把不同的对人体有益的营养元素加入到生物玻璃中，期待出现更神奇的效果；他们把生物玻璃涂在现在已经使用但并不理想的各种金属的，高分子的医用材料和器械表面，希望能把现有的材料变得更好更耐用；他们用先进的制造技术-三维打印，把粉末状的生物玻璃塑造成结构更复杂，更逼真的人体骨部位，希望能够大段的整块的取代本已坏死的组织；他们也积极的取长补短，充分利用其他的材料，把生物玻璃的优势结合进去，来创造更好的复合材料。

救死扶伤的生物活性玻璃，正在不断的演变进化，更加美好的未来，正在向这个勇敢的小卫士招手。

中国科学技术大学出版社

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内容简介

　　我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。

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