生物活性玻璃

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作者：陈晓峰，常江等

出版社：科学出版社

本类榜单：医学

分类：医学 > 基础医学

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ISBN：9787030732118
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
开本：B5
页数：388
出版时间：2022-10-01
条形码：9787030732118 ; 978-7-03-073211-8

本书特色

本书具有较高的学术价值，值得广大从事生物材料相关领域的读者参考学习。

内容简介

本书为“生物材料科学与工程丛书”之一。本书是作者在长期从事生物活性玻璃研究的工作基础上完成的。书中对生物活性玻璃的发展历史、**研究进展以及未来发展趋势进行了较系统的论述。本书内容比较全面、信息量大，有很多内容是作者在生物活性玻璃的研究工作中得到的**手资料，充分反映了作者*直接的研究结论与观点。本书共14章，其中第1章为概论，第2～11章分别介绍不同类型生物活性玻璃的制备、结构和性能研究；第12～14章重点介绍生物活性玻璃在齿科、骨科及皮肤创面修复方面的临床应用研究。

目录
总序
前言
第1章　概论　1
1.1　生物活性玻璃的定义、发展历史　1
1.2　生物活性玻璃的分类、临床应用现状及研究前沿　2
参考文献　3
第2章　熔融法生物活性玻璃　5
2.1　熔融法生物活性玻璃的组成与制备　5
2.1.1　熔融法生物活性玻璃的组成　5
2.1.2　熔融法生物活性玻璃的制备　6
2.2　熔融法生物活性玻璃的结构与性能　7
2.2.1　熔融法生物活性玻璃的结构　7
2.2.2　熔融法生物活性玻璃的性能　9
2.3　熔融法生物活性玻璃的生物矿化　10
2.3.1　熔融法生物活性玻璃的体外生物矿化　11
2.3.2　熔融法生物活性玻璃的体内生物矿化　15
2.4　熔融法生物活性玻璃的组织修复性能研究　19
2.4.1　生物活性玻璃（45S5）骨组织修复性能研究　19
2.4.2　生物活性玻璃（45S5）的软组织再生性能研究　20
2.4.3　生物活性玻璃（45S5）的基因激活作用　21
2.5　熔融法生物活性玻璃的动物实验及临床应用研究　23
2.5.1　中耳骨修复应用　23
2.5.2　牙槽嵴的保护与重建应用　24
2.5.3　牙周病治疗中的应用　26
2.5.4　根分叉处骨缺损治疗应用　26
2.5.5　颌骨缺损修复的应用　27
参考文献　27
第3章　生物活性微晶玻璃　31
3.1　微晶玻璃　31
3.1.1　概述　31
3.1.2　生物活性微晶玻璃的性能要求　34
3.1.3　常见的生物活性微晶玻璃体系　35
3.1.4　生物活性微晶玻璃的制备技术　36
3.2　可切削生物活性微晶玻璃　39
3.2.1　可切削生物活性微晶玻璃概述　39
3.2.2　可切削生物活性微晶玻璃的应用　41
3.3　A/W生物活性微晶玻璃　43
3.3.1　A/W生物活性微晶玻璃概述　43
3.3.2　A/W生物活性微晶玻璃的应用　43
参考文献　44
第4章　溶胶-凝胶生物活性玻璃　46
4.1　溶胶-凝胶生物活性玻璃概述　46
4.1.1　溶胶-凝胶技术的发展及现状　46
4.1.2　溶胶-凝胶生物活性玻璃的特点　46
4.2　58S系列生物活性玻璃的组成设计、制备及研究现状　48
4.2.1　58S系列生物活性玻璃的组成设计　48
4.2.2　58S系列生物活性玻璃的制备　52
4.2.3　58S系列生物活性玻璃的研究现状　54
4.3　58S系列生物活性玻璃的结构与性能　55
4.4　58S系列生物活性玻璃的生物矿化　56
4.4.1　58S系列生物活性玻璃的矿化形成条件　57
4.4.2　58S系列生物活性玻璃的生物矿化步骤　58
4.4.3　58S系列生物活性玻璃的矿化性能及降解性能　59
4.5　58S系列生物活性玻璃的细胞学性能研究　62
4.5.1　58S系列生物活性玻璃与成纤维细胞的相互作用　63
4.5.2　58S系列生物活性玻璃与小鼠骨髓间充质干细胞的相互作用　64
4.6　58S系列生物活性玻璃的动物实验及临床应用研究　65
4.6.1　58S系列生物活性玻璃在软组织修复中的应用　65
4.6.2　58S系列生物活性玻璃颗粒的骨内植入实验　67
参考文献　71
第5章　硼酸盐系统生物活性玻璃　74
5.1　硼酸盐玻璃概述　74
5.2　硼酸盐生物活性玻璃的设计与制备　76
5.2.1　硼酸盐生物活性玻璃的设计原理　76
5.2.2　硼酸盐生物活性玻璃的设计方法　77
5.2.3　硼酸盐生物活性玻璃的制备方法　78
5.3　硼酸盐生物活性玻璃的组成、结构特征与性能　80
5.3.1　硼酸盐生物活性玻璃组成的设计由来　80
5.3.2　硼酸盐生物活性玻璃的结构特征与性能　82
5.4　硼酸盐生物活性玻璃的生物活性和组织学研究　84
5.4.1　硼酸盐生物活性玻璃的生物活性　84
5.4.2　硼酸盐生物活性玻璃的细胞生物学研究　89
5.5　硼酸盐生物活性玻璃的应用研究　99
5.5.1　作为骨组织工程支架的应用研究　99
5.5.2　作为骨疾病治疗用药物载体的应用研究　109
5.5.3　含铜硼酸盐玻璃纤维/PLGA复合敷料的应用研究　115
5.5.4　样品体外生物相容性和血管生成评估　116
5.5.5　硼酸盐生物活性玻璃基骨水泥及其应用研究　123
参考文献　135
第6章　钙硅酸盐系统生物活性玻璃　142
6.1　钙硅酸盐系统生物活性玻璃概述　142
6.1.1　钙硅酸盐生物活性玻璃组成设计及微量元素掺杂　142
6.1.2　介孔钙硅酸盐生物活性玻璃　145
6.1.3　钙硅酸盐生物活性玻璃三维打印　147
6.2　钙硅酸盐系统生物活性玻璃在硬组织修复中的应用　149
6.2.1　钙硅酸盐系统生物活性玻璃在牙组织修复中的应用　149
6.2.2　钙硅酸盐系统生物活性玻璃在骨修复中的应用　152
6.3　钙硅酸盐系统生物活性玻璃在软组织修复中的应用　153
6.3.1　钙硅酸盐系统生物活性玻璃在皮肤组织修复中的应用　154
6.3.2　钙硅酸盐系统生物活性玻璃在软骨组织修复中的应用　160
6.3.3　钙硅酸盐系统生物活性玻璃在神经组织修复中的应用　162
6.3.4　钙硅酸盐系统生物活性玻璃在其他软组织修复中的应用　163
6.4　钙硅酸盐系统生物活性玻璃作为药物载体的应用　164
参考文献　168
第7章　微纳米生物活性玻璃　176
7.1　微纳米生物活性玻璃概述　176
7.2　微纳米生物活性玻璃的组成设计及制备　177
7.2.1　微纳米生物活性玻璃的制备方法　177
7.2.2　溶胶-凝胶生物活性玻璃微纳米结构的制备与控制　182
7.3　微纳米生物活性玻璃的生物活性、组成与性能　184
7.3.1　微纳米生物活性玻璃的生物活性　184
7.3.2　生物活性玻璃微球的组分调控及其性能研究　187
7.4　微纳米生物活性玻璃细胞学及组织学研究　193
7.4.1　微纳米生物活性玻璃的细胞学研究　193
7.4.2　微纳米生物活性玻璃的组织学研究　199
7.5　微纳米生物活性玻璃在药物/基因载体方面的应用研究　202
7.5.1　微纳米生物活性玻璃在药物载体方面的应用研究　203
7.5.2　微纳米生物活性玻璃在基因载体方面的应用研究　205
参考文献　207
第8章　生物活性玻璃组织工程支架　211
8.1　组织工程支架概述　211
8.1.1　骨组织工程支架　212
8.1.2　组织工程中的皮肤修复　215
8.2　烧结法制备生物活性玻璃支架　216
8.2.1　生物活性玻璃烧结理论　217
8.2.2　添加造孔剂法制备生物活性玻璃支架　219
8.2.3　聚合物泡沫模板法制备生物活性玻璃支架　220
8.2.4　凝胶注模成型法制备生物活性玻璃支架　221
8.2.5　溶胶-凝胶发泡法制备生物活性玻璃支架　224
8.2.6　定向冷冻成型法制备生物活性玻璃支架　226
8.3　生物活性玻璃支架的细胞学与组织学研究　227
8.3.1　生物活性玻璃支架的细胞学研究　228
8.3.2　生物活性玻璃支架的组织学研究　233
参考文献　238
第9章　生物活性玻璃复合材料　242
9.1　生物活性玻璃/高分子复合材料　242
9.1.1　生物活性玻璃/化学合成高分子复合材料　243
9.1.2　生物活性玻璃/微生物合成高分子复合材料　243
9.1.3　生物活性玻璃/天然高分子复合材料　244
9.2　生物活性玻璃/金属复合材料　247
9.2.1　生物活性玻璃涂层与金属的界面结合强度的影响因素　248
9.2.2　生物活性玻璃在金属表面制备涂层的方法　248
9.2.3　生物惰性金属表面不同类型生物活性玻璃涂层的制备　250
9.2.4　可降解金属表面生物活性玻璃涂层的制备　251
9.2.5　生物活性玻璃直接与金属混合制备复合材料　253
9.3　生物活性玻璃陶瓷复合材料　253
9.3.1　生物活性玻璃陶瓷的特点　254
9.3.2　生物活性玻璃陶瓷的组成　254
9.3.3　生物活性玻璃陶瓷的发展现状　254
9.3.4　生物活性玻璃陶瓷复合材料的改性　255
9.3.5　生物活性玻璃陶瓷复合材料的应用前景　259
参考文献　260
第10章　生物活性玻璃/高分子杂化材料　264
10.1　生物活性二氧化硅溶胶-高分子杂化材料　264
10.1.1　生物活性二氧化硅溶胶合成与结构　265
10.1.2　生物活性二氧化硅溶胶-高分子杂化材料制备与性能　266
10.1.3　生物活性二氧化硅溶胶-高分子杂化材料细胞相容性研究　267
10.2　生物活性玻璃溶胶-高分子杂化材料　267
10.2.1　生物活性玻璃溶胶的结构　268
10.2.2　生物活性玻璃溶胶-高分子杂化材料制备与性能　268
10.2.3　生物活性玻璃溶胶-高分子杂化材料细胞相容性研究　271
10.3　生物活性硅氧烷功能化高分子杂化材料　271
10.3.1　生物活性硅氧烷功能化高分子杂化材料的结构　272
10.3.2　生物活性硅氧烷功能化高分子杂化材料的制备与性能　272
10.3.3　生物活性硅氧烷功能化高分子杂化材料细胞相容性研究　276
10.4　生物活性玻璃/高分子杂化材料动物实验评价研究与应用前景　277
10.4.1　生物活性玻璃基高分子杂化材料动物实验研究　278
10.4.2　生物活性玻璃基高分子杂化材料组织再生应用展望　278
参考文献　279
第11章　pH中性生物活性玻璃　281
11.1　生物活性玻璃对环境pH的影响概述　281
11.2　pH中性生物活性玻璃的意义及设计理念　283
11.3　pH中性生物活性玻璃实例（PSC玻璃）　284
11.4　PSC玻璃的结构及理化性质　285
11.4.1　X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）　285
11.4.2　高能X射线衍射（HEXRD）和核磁共振（NMR）　286
11.4.3　离子溶出曲线和中性pH性质　289
11.4.4　降解性能　290
11.4.5　体外生物活性和细胞相容性　291
11.4.6　烧结性能　293
11.5　PSC玻璃在生物医学应用方面的研究　295
11.5.1　可注射生物活性玻璃复合骨水泥　295
11.5.2　PSC诱导牙髓牙本质复合体再生　298
参考文献　302
第12章　生物活性玻璃在口腔医学中的研究与应用　306
12.1　生物活性玻璃牙本质脱敏剂的研究与应用　307
12.1.1　生物活性玻璃脱敏剂的作用机理　307
12.1.2　生物活性玻璃脱敏剂的应用现状　308
12.1.3　生物活性玻璃脱敏剂的研究与改进　309
12.2　生物活性玻璃盖髓剂的研究与应用　311
12.2.1　以硅酸盐为

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节选

第1章概论 1.1　生物活性玻璃的定义、发展历史 20世纪60年代越南战争导致部分美军士兵肢体损伤严重，且由于当时的医疗技术所限，这些创伤无法得到快速有效的治疗，军队急需开发出不会被身体所排斥的生物材料[1]。在这样一种社会背景下，美国佛罗里达大学的Larry　L.Hench教授于1971年研发出一种新型的无机类骨修复材料—生物活性玻璃（bioactive　glass，BG）。这种新型医用材料具有良好的生物相容性，在生理环境下可通过其表面的矿化沉积作用生成一种类骨的碳酸羟基磷灰石（hydroxyl-carbonate-apatite，HCA）矿化层，从而实现材料与宿主组织的化学键合[1]。此材料的问世引起国际生物材料界及医学界的极大兴趣，进而催生了“生物活性材料”这一重要的生物医学材料研究方向。在以后的数年间，各国的生物材料研究人员又开发出不同类型的生物活性玻璃材料，并在临床应用中取得成功。例如，1973年，德国的Bromer等在Hench的生物活性玻璃组成的基础上，通过减少Na2O含量，并引入K2O和MgO等成分，研制了一种生物活性微晶玻璃，命名为“Ceravital”，并用于颚骨和听骨的修复[2]；之后，德国科学家Vogel和在SiO2-Al2O3-MgO-Na2O-K2O-F-CaO-P2O5体系的基础上，成功研制出了主晶相为磷灰石（apatite）晶体和氟金云母[（Na/K）Mg3AlSi3O10F2]晶体的可切削生物活性微晶玻璃Bioverit[3]。该材料能够让医生在进行植入手术时，依据具体情况使用常规金属工具对其进行必要的修整加工，非常适用于具有复杂形状的组织部位的替换和修复，且材料可以同宿主骨形成牢固的化学键合。Bioverit被成功用于中耳、鼻、颚、颈、椎骨和颅骨等修复及颌面部整形。1982年日本京都大学的Kokubo教授成功研制出A/W生物活性微晶玻璃，其主晶相为磷灰石和β-硅灰石（β-wollastonite），还含有部分玻璃相。其中的磷灰石晶相赋予材料生物活性，而硅灰石晶相则起着纤维增强的作用，使材料的力学性能显著提升。同时材料还可以同骨形成化学键合。A/W生物活性微晶玻璃产品被用于椎骨及其他不同部位的骨缺损修复[4]。1991年，Hench教授等在发明熔融法生物活性玻璃45S5的基础上，又研发出溶胶-凝胶生物活性玻璃（sol-gel　bioactive　glass），这种新型生物活性玻璃，由于其巨大的比表面积、纳米级孔隙结构和良好的降解特性等显著提高了材料的生物活性，被称为第二代生物活性玻璃[5]。溶胶-凝胶生物活性玻璃的问世，对于研究人员利用化学合成的方法制备具有高比表面积和高生物活性的生物医学材料是一个重要启发。自21世纪以来，华南理工大学陈晓峰教授课题组通过溶胶-凝胶与自组装有机模板技术相结合的方法，开发出具有多种形貌、尺寸和微结构的新型生物活性玻璃：微纳米生物活性玻璃（micro-nano　bioactive　glass，MNBG），在后续的几年里，经过大量的细胞学和组织学研究，证明这类新型生物活性玻璃具有更好的促成骨、成血管及免疫调控功能，在骨、齿及皮肤创面修复、药物及基因控释、促进干（祖）细胞成骨定向分化等方面展现出重要的学术及应用价值，被称为第三代生物活性玻璃。 1.2　生物活性玻璃的分类、临床应用现状及研究前沿生物活性玻璃按加工工艺可以分为：熔融法生物活性玻璃和溶胶-凝胶生物活性玻璃。按其结晶形态可分为：生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃。按玻璃网络中主要的玻璃形成物分为：硅酸盐生物活性玻璃、硼酸盐生物活性玻璃、硅磷酸盐生物活性玻璃。生物活性玻璃材料具有两个十分重要的性质：①生物活性。生物活性玻璃材料在植入体内生理环境后，材料表面可与生理环境发生快速的离子交换，*终通过矿化沉积作用在材料上形成类骨的碳酸羟基磷灰石层，该矿化层可以与骨组织或皮肤组织发生化学键合作用[17]。②结构和性能的可调节性。由于玻璃材料是具有无规则网络结构的无机非晶态材料，其基本结构是由硅氧四面体、磷氧四面体或硼氧三角体（四面体）等通过顶角上的桥氧相互连接成的三维网络结构。而网络外体离子（Na+、Ca2+、Mg2+和Sr2+等）则起断网作用。生物活性玻璃的理化和生物学性能在很大程度上受玻璃网络结构的连接形式、开放程度和玻璃中离子种类的影响及调控。玻璃材料的无规则网络的结构特点使其化学组成可以在较大的范围内变动，形成一系列不同组成、不同性能的玻璃材料。而不像晶体材料那样受到化学计量比的严格限制。所以，可采用改变玻璃基础组成或微量离子添加等方法，有效调控材料的性能。对于生物活性微晶玻璃，还可以通过调整材料组成和晶化处理工艺条件，改变其微晶相种类及比例，从而调节其可降解性、矿化能力、生物活性和力学性质，以适应临床需求[18]。目前生物活性玻璃的临床应用主要集中在骨、齿及皮肤创面修复等方面，如用于骨缺损修复的固骼生（NovaBone）[19]，用于填补拔牙后牙陷窝的ERMI[20]和填充牙周缺损的倍骼生（PerioGlas）[21]，用于皮肤创面修复的肌肤生（Dermglas）[22]、德莫林（Dermlin）[23]和特肤生（Dermfactor）[24]。目前生物活性玻璃临床产品仍然还是以熔融法生物活性玻璃45S5系列为主，其高温制备方法在一定程度上限制了材料的性能改善，材料的降解性能和生物活性还不够理想。而溶胶-凝胶生物活性玻璃及通过自组装有机模板法制备的微纳米生物活性玻璃，因其高比表面积，良好的生物降解特性、体内矿化特性及生物相容性，而受到国内外生物医学材料领域的广泛关注。研究发现，生物活性玻璃之所以具有很好的组织再生修复特性，其原因之一是可以激活多种细胞信号通路，包括促进骨组织形成、牙本质形成、软骨组织形成、炎症响应、干细胞定向分化、血管形成等多种关键基因[25]。生物活性玻璃对多种细胞如骨祖细胞、牙髓干细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、角质形成细胞分化行为具有显著的基因调控作用，其作用机制影响因素主要包括材料表面化学组成、微观结构、离子释放特性及所受到的剪切应力等[26]。目前大部分相关研究文献主要集中在报道生物活性玻璃调控不同基因表达的规律，较少涉及基因调控背后的分子生物学信号途径，因此，阐明生物活性玻璃材料调控细胞分化和基因表达的分子生物学机制仍是目前该领域的研究热点和前沿方向[27]。第2章熔融法生物活性玻璃 2.1　熔融法生物活性玻璃的组成与制备 2.1.1　熔融法生物活性玻璃的组成 1971年美国佛罗里达大学的LarryL.Hench教授及其课题组成功研制出*早的生物活性玻璃（BG），其被用于骨缺损修复。这类通过高温熔融法得到的生物活性玻璃组成属于Na2O-CaO-SiO2-P2O5四元系统的硅磷酸盐玻璃。Hench在设计玻璃成分时，通过适当减少SiO2和增加Na2O及CaO组分，从而使得玻璃具有较多的非桥氧（Onb）及网络“断点”数量，从而使该玻璃在水溶液中具有较高的离子溶出特性和矿化性能。另外也考虑到骨组织中的无机矿物主要为低结晶度的钙磷矿物，所以在玻璃成分设计中引入一定比例的P2O5成分。动物体内植入实验表明，该玻璃材料能够与宿主骨形成牢固的化学键合（骨性结合），具有良好的骨修复效果，且不产生不良反应。Hench将此种玻璃称为生物活性玻璃，并将其命名为45S5，商品名为Bioglass[1]。对材料的微观结构研究证明，材料具有硅氧四面体通过顶点处的桥氧（Ob）相互连接而成的无规则网络，其中Na+和Ca2+则作为网络外体处于玻璃网络断点处的非桥氧（Onb）周围，以维持玻璃网络结构的电中性（图2-1）。45S5玻璃具有生物活性的关键在于其特殊的组成和结构，如相比传统硅酸盐工业玻璃低得多的SiO2含量，以及较高CaO和Na2O含量及高钙/磷比。Hench教授后来在45S5生物玻璃成分的基础上进一步扩展了玻璃的组成范围，得到了一系列具有生物活性的玻璃组成，如表2-1所示。 2.1.2　熔融法生物活性玻璃的制备临床*具代表性的骨、齿及皮肤创面修复用生物活性玻璃45S5的组成属于Na2O-CaO-SiO2-P2O5四元系统[3]，各组分的质量分数（wt%）为SiO2：45%；CaO：24.5%；Na2O：24.5%；P2O5：6%。生物活性玻璃45S5编号中45代表45%（wt%）的SiO2，S代表玻璃网络形成体SiO2，5代表Ca和P的物质的量比为5∶1。其中SiO2作为玻璃网络形成体，构成玻璃网络的基本骨架；CaO和P2O5的引入使玻璃具有类似骨的钙磷成分，对玻璃在生理环境中通过离子交换形成类骨的碳

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