《Materials Chemistry and Physics》：From Glass to Healing: Unveiling the Secrets of Bioactive Glasses in Bone Regeneration
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生物活性玻璃（BGs）通过离子释放和界面反应调控骨再生，但面临机械性能、长期生物学效应及产业化挑战。本文对比传统BGs与新型硼酸盐、磷酸盐及掺杂体系，分析其结构-性能-功能关系，提出需通过材料设计、3D打印和生物整合提升临床转化。
Sathyabama Balaji | Muthu Senthil Pandian | Manisha Vidyavathy
物理系，SSN研究中心，Sri Sivasubramaniya Nadar工程学院，Kalavakkam-603110，Chennai，Tamil Nadu，印度
摘要
生物活性玻璃（BGs）越来越被认可为骨再生的主动调节剂，而不仅仅是被动形成磷灰石的材料。其治疗效果取决于离子释放、降解动力学以及玻璃与组织之间的界面反应，这些因素共同影响骨形成、血管生成、免疫调节和抗菌活性。溶胶-凝胶加工、介孔和纳米级结构以及增材制造技术的最新进展扩展了基于BG的系统的功能多样性；然而，这些发展也暴露了生物活性、机械稳定性和工艺可扩展性之间的基本权衡。掺杂离子的BGs在调节巨噬细胞极化、血管形成和干细胞介导的骨形成方面显示出巨大潜力，但其临床应用仍受到承载能力有限、对长期离子介导的生物效应理解不足以及复杂成分相关的监管挑战的限制。通过将临床批准的BGs与新兴的实验平台进行关键比较，本综述定义了当前的性能边界，并强调了缩小实验室创新与临床可靠骨再生之间差距所需的设计重点。
引言
骨再生在骨科、颅面外科和牙科应用中仍然是一个主要挑战，尤其是对于由创伤、肿瘤切除、感染或先天性异常引起的大范围缺损。尽管自体移植和异体移植被广泛使用，但其临床效果受到供体部位并发症、免疫风险、可用性有限以及整合结果不一致的限制（图1）。这些限制促使人们开发出不仅能够填充缺损，还能主动调节骨愈合生物过程的合成生物材料。生物活性玻璃（BGs）通过Hench开发的Bioglass? 45S5代表了这一领域的重大进展，因为它们能够在接触生理液体时形成生物活性的羟基磷灰石层，从而直接与骨骼和软组织结合[3]。这种形成磷灰石的能力使BGs成为一类独特的生物活性材料，并支持了其早期的临床应用。然而，后续的实验和临床证据表明，仅靠磷灰石的形成不足以实现复杂骨缺损的功能性再生，成功的愈合需要协调的血管生成、免疫调节、感染控制和受控的材料降解。
为应对这些限制，BG研究已经超越了传统的熔融硅酸盐体系，包括基于硼酸盐和磷酸盐的成分、溶胶-凝胶衍生的和介孔结构，以及经过工程设计的掺杂离子变体，以调节特定的生物途径[4, 5, 6]。现代BGs不仅作为骨传导基底，还作为动态离子输送平台，释放治疗性离子，影响骨形成分化、血管生成、免疫调节和抗菌防御。这种演变反映了从被动骨结合向主动调节骨愈合微环境的概念转变。尽管已有FDA和CE批准的BG基产品，但下一代BGs的临床应用仍然受到限制，特别是在承重应用和患者特定再生疗法方面[7]。持续的挑战包括机械可靠性不足、对长期离子介导的生物效应理解不完全，以及难以实现可扩展和符合监管要求的制造。因此，本综述的核心科学问题是如何合理整合BG的成分和加工策略，以平衡生物活性、机械性能和转化可行性。通过批判性地分析结构-性能-功能关系和临床表现，本综述将BGs定位为不断发展的多功能生物材料，其应用范围远远超出了简单的磷灰石形成。
生物活性玻璃的基础知识
生物活性玻璃（BGs）的特点是具有可控的降解和治疗效果离子释放，这两者共同调节骨-材料界面处的生物反应。虽然磷酸钙层的形成能够实现界面结合，但在再生环境中的生物性能主要由溶解速率、离子释放曲线及其与细胞过程的时间耦合决定[3, 9, 10]。从功能角度来看，BGs被分类为硅酸盐基生物活性玻璃（SBGs）、硼酸盐基生物活性玻璃等。
用于骨再生的生物活性玻璃类型
用于骨再生的BGs通常根据成分和加工路线进行分类，这些因素直接影响离子释放行为、生物活性和机械性能（表1）[1, 2]。例如45S5 Bioglass?等SBGs由于能够快速形成羟基磷灰石和释放骨形成离子而被广泛研究；然而，它们的高溶解速率和有限的机械稳定性限制了其在承重缺损中的长期应用[3, 4]。BBGs则表现出更快的...制备和先进加工方法
BGs的生物性能和临床适用性不仅受成分影响，还受加工路线的影响，后者决定了表面积、孔隙率、离子释放动力学、机械稳定性和可扩展性。图3展示了代表性的加工策略概述，而与转化相关的比较属性在表2中进行了总结。
磷灰石形成和界面结合
BGs与骨骼的结合始于表面反应，这些反应导致碳酸氢盐磷灰石（HCA）的形成，从而与宿主矿物形成化学兼容的界面[55, 56]。虽然经典的Hench模型描述了基本反应顺序，但后续研究表明，反应速率和途径强烈依赖于成分、表面积和溶解动力学，而不遵循统一的时间线[57]（图4）。高表面积和富含修饰剂的BGs表现出更快的...
比较分析
与已建立的生物活性陶瓷（如羟基磷灰石（HA）、三钙磷酸盐（TCP）和玻璃陶瓷（例如Biogran/Biosilicates）相比，BGs在表面生物活性、机械性能、生物功能、加工和临床应用方面进行了评估。硅酸盐基BGs（如45S5）在生理液体中能快速形成碳酸氢盐磷灰石层，通常比HA或β-TCP更快，这是由于快速的离子交换和富含二氧化硅的凝胶形成[31]。HA具有高度...
临床转化和商业前景
BGs已经超越了临床前验证阶段，有多种产品获得了FDA和/或CE的批准，应用于牙科、颅面外科和骨科领域。然而，转化仍不均衡，受到监管复杂性、扩大生产规模的挑战以及缺乏长期、可控的临床数据来证明其优于现有移植材料的限制[81]。
未来展望和挑战
从单一用途的磷灰石形成材料来看，BGs正在发展成为下一代骨再生的多功能框架。结合先进的材料化学（离子掺杂、介孔结构）、针对患者的增材打印、与细胞和生物制剂的生物整合以及可持续制造，是实现其全部临床潜力的关键（表9）。
结论
BGs是一类多功能且具有临床相关性的生物材料，能够将表面反应性、可控的离子释放和降解动力学与生物修复过程相结合。无论是硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐还是掺杂离子的成分，BGs都表现出对骨形成、血管生成和免疫调节的成分依赖性调节，其再生效果取决于对溶解行为的定量控制...
数据和代码可用性
不适用。
CRediT作者贡献声明
Sathyabama Balaji：撰写——初稿。
Muthu Senthil Pandian：指导。
Manisha Vidyavathy：概念构思
未引用的参考文献
90..
Elsevier利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
