关于稻壳和蛋壳衍生生物活性玻璃在骨组织工程应用中的研究综述：从废弃物到财富的转化途径

《ACS Sustainable Resource Management》：A Review on Rice Husk and Eggshell-Derived Bioactive Glass for Bone Tissue Engineering Application: Waste to Wealth Approach

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**生物活性玻璃（Bioactive Glasses, BGs）在骨组织工程中起着关键作用，通过促进骨形成（osteogenesis）、促进血管生成（angiogenesis）以及调节缺损部位的免疫反应来实现这一目标。近年来，人们开发出从天然资源、农业废弃物和食物废弃物中生产BGs的可持续方法，其中稻壳和蛋壳分别作为丰富的、低成本的、环保的二氧化硅和钙来源。本综述重点介绍了基于稻壳和蛋壳的BGs的生物潜力，特别是它们与骨细胞的相互作用以及对新骨形成的促进作用。我们总结了当前的体外和体内研究，展示了它们的再生效果，并探讨了其用于骨缺损修复的生物活性机制。此外，还评估了这些材料的转化潜力，强调了它们的可持续性、减少环境影响以及符合循环经济原则的特点。通过利用天然废弃物资源，基于稻壳和蛋壳的BGs为成本效益高且临床相关的骨再生策略提供了有前景的途径。**

**1. 引言**
由创伤、先天性异常、感染或退行性疾病引起的骨缺损在骨科和颌面外科手术中是一个重要的临床挑战。（1）骨组织的修复不仅需要结构支持，还需要刺激促进新骨形成并与其整合的生物过程。自体骨移植因其具有成骨引导（osteoconductive）、成骨诱导（osteoinductive）和骨生成（osteogenic）特性而被视为金标准。（2）然而，它受到供体部位并发症、可用性有限、手术时间延长以及感染风险的制约。尽管已经开发了异体移植和合成材料来克服这些限制，但与免疫排斥、疾病传播或整合不良相关的问题仍然存在。（3,4）在这种背景下，生物活性玻璃（BGs）作为一种有吸引力的替代材料出现，因为它们能够与骨形成牢固的结合并刺激生物活性。（5,6）Hench在1969年首次引入BGs，发现其表面具有反应性，可以形成类似于骨矿相的羟基磷灰石（HCA）层。（7）这一层促进了成骨细胞的附着、增殖和分化，从而加速了骨再生。此外，从BGs溶解过程中释放出的可溶性离子（如硅、钙和磷）已被证明可以调节细胞功能、促进血管生成并发挥抗菌作用，进一步支持组织愈合。（8）虽然传统上BGs是用高纯度化学前体制备的，但对可持续和环保生物材料的需求增加促使人们研究从废弃物中提取的替代来源。（9）生物材料创新与可持续资源利用的结合为解决长期存在的医疗挑战开辟了新的途径。全球对环境责任制造、资源保护和成本效益医疗的日益重视，推动了寻找不会影响临床性能的环保生物材料的工作。（10）在再生医学，特别是在骨组织工程领域，这一范式转变使农业和食品工业废弃物不再被视为需要处理的负担，而是成为高价值生物医学产品的宝贵原料。（11,12）各种生物废弃物，如小麦壳、稻壳、甘蔗渣、咖啡壳、玉米棒等，被用作二氧化硅的来源。（10）其中，稻壳和蛋壳分别作为硅和钙的潜在来源而脱颖而出。**

稻壳是水稻加工的主要副产品，全球每年产量达数百万吨。稻壳通常被丢弃或焚烧，导致环境污染和温室气体排放。从稻壳中提取二氧化硅不仅为这种农业废弃物增添了价值，也符合可持续制造实践。（13,14）稻壳含有70-80%的有机物质（纤维素、木质素）和20-30%的矿物质成分（二氧化硅、碱和微量元素）。稻壳燃烧后的灰烬中二氧化硅含量超过90%，还含有其他微量元素。（15,16）蛋壳主要由碳酸钙组成，是家禽和食品行业的常见废弃物。通常作为垃圾处理，蛋壳增加了填埋场的垃圾量并给环境带来负担。（17）由于难以降解且可能散发难闻气味，回收这些废弃物在全球范围内受到了更多关注，以将其转化为廉价、无毒且容易获取的材料。（18）此外，蛋壳因其含有超过94%的碳酸钙、1%的磷酸钙和1%的碳酸镁以及4%的有机物，而被广泛用作钙的来源。（19）利用蛋壳作为BGs合成的钙源可以降低原材料成本并减少环境影响。这些废弃物衍生前体共同为BGs的合成奠定了可持续的基础，BGs以其能够与骨发生化学结合、刺激细胞活性并通过控制离子释放来主动调节局部愈合环境而闻名。

本综述的创新之处在于它专注于基于稻壳和蛋壳的BGs的生物性能和转化潜力，而不仅仅是传统的合成方法和物理化学特性。通过将这两种材料置于可持续性和废弃物再利用的框架下，本文展示了如何将农业和食品工业副产品转化为高价值的环保生物材料，用于骨再生。虽然石英砂和石灰石也含有二氧化硅和钙，但从石英砂和石灰石中提取这些成分会导致严重的土地退化、生物多样性丧失以及重型机械和远距离物流带来的大量碳排放。（20,21）相比之下，将蛋壳转化为CaO所需的温度低于工业处理矿物石灰石的过程，并且这种转化重新利用了原本会在填埋场分解的材料，从而避免释放比二氧化碳强25倍的温室气体甲烷（CH4）。（22,23）因此，这种从废弃物到财富的转化方式具有双重效益：它减少了原材料的需求（资源效率），同时减轻了农业废弃物处理的环境负担（回收和环境影响之间的权衡）。（23）这一转变不仅降低了制造过程的累积能源需求，还符合绿色化学原则#7（使用可再生原料）。

由于全球农业和食品废弃物的巨大规模，选择稻壳和蛋壳作为BGs合成的主要前体是必要的。（24）据估计，全球每年的水稻产量约为6亿吨，其中富含二氧化硅的外壳约占总量的20%。（20）同时，全球家禽产业每年产生超过800万吨蛋壳废弃物，其中约95%为碳酸钙。（25）从循环经济的角度来看，重新利用这些废弃物有助于解决填埋对环境和土壤酸化及温室气体排放的挑战。（26）此外，这种生物废弃物回收方法具有显著的经济优势，因为BGs合成依赖于四乙基正硅酸盐和硝酸钙等试剂级前体。使用生物来源的二氧化硅和钙可以将原材料成本降低60-80%，同时不损害材料的生物活性。（9）因此，将这些丰富的副产品转化为高价值的骨组织工程支架不仅满足了临床需求，还符合可持续发展目标，为合成生物材料提供了经济高效且环保的替代方案。（27）此外，它强调了临床转化路径，解决了可扩展性、成本效益和环境效益的问题，从而在材料科学和再生医学之间建立了统一的联系。本综述全面总结了基于稻壳和蛋壳的BGs在骨组织工程方面的最新进展，重点关注它们的生物相互作用、再生效果以及临床转化潜力。同时，还讨论了利用农业和食品废弃物生产生物材料的可持续性和循环经济方面的问题。通过突出这些发展，本综述旨在激发进一步研究和应用环保BGs在再生医学中的潜力。

**2. 生物活性玻璃**
BGs因其能够直接与骨组织结合而成为生物材料中的重要组成部分。“生物活性”这一术语本身就体现了它们的内在生物活性和生物相容性。（28,29）通常，BGs主要由二氧化硅组成，还包括氧化钙、磷和氧化钠。通过调整这些氧化物的比例，利用不同的合成技术开发出了多种类型的BGs，用于骨再生应用。根据化学组成，BGs分为三类：硅酸盐玻璃、硼酸盐/硼硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃。（30）它们以氧化物形式存在，可以由单一网络（硅酸盐、硼酸盐或磷酸盐）或混合网络（如硼硅酸盐、磷酸硅酸盐或硼磷酸盐）组成。（31）

**2.1. 硅酸盐生物活性玻璃**
第一种硅酸盐基BGs 45S5（45% SiO2、24.5% Na2O、24.5% CaO和6% P2O5）由Hench教授于1971年开发，用于生物医学用途。（32）结构上，硅酸盐BGs由三维SiO2网络组成，每个硅原子与四个氧原子形成四面体配位。45S5的组成已被证明可以影响基因表达、调节骨组织形成、促进血管内皮生长因子的产生，并在体外和体内增强血管化。（33,34）二氧化硅的存在在骨矿化过程中起关键作用，通过生物矿化过程促进羟基磷灰石（HAp）或羟基碳酸磷灰石层的形成。（35?37）

**2.2. 硼酸盐生物活性玻璃**
硼酸盐BGs是一类生物活性材料，其中氧化硼（B2O3）作为主要网络形成剂，常与氧化钙（CaO）、氧化钠（Na2O）以及偶尔的五氧化二磷（P2O5）结合使用。硼酸盐和硼硅酸盐玻璃旨在增强特定性能，如降解速率、生物活性和离子释放。硼作为一种微量元素，可以通过部分替代玻璃网络中的二氧化硅来引入，从而促进骨生长并增强细胞反应。（40）例如，硅酸盐玻璃1393（46.1% SiO2、24.4% Na2O、26.9% CaO、2.6% P2O5）通过添加硼（41.5% SiO2、24.4% Na2O、26.9% CaO、2.6% P2O5、4.6% B2O3）可以改善其生物性能。（40）硼是一种关键的玻璃形成氧化物，因其三价性质、较小的阳离子尺寸、较高的熔点强度以及较低的熔化热。此外，硼还具有抗菌活性，有助于骨代谢、骨生成和血管生成。（41）硼酸盐BGs在SBF中的降解速度比硅酸盐玻璃更快，从而在其表面加速形成HAp，这对于快速骨结合至关重要。（32,42）研究表明，如60 B2O3、20 CaO和20 Na2O的组成可以增强干细胞的增殖和分化。（43）硼酸盐BGs的快速溶解会释放生物活性离子（B3+、Ca2+、PO43?），这些离子可以刺激骨生成和血管生成基因的表达，调节局部pH值，并具有抗菌作用，使其适用于急性或较大尺寸的骨缺损和血管生成支架。（44）然而，其较低的机械强度限制了其在承重部位的应用，除非与聚合物或陶瓷复合材料结合使用。（45,46）通过仔细调整组成或形成硼硅酸盐或硼磷酸盐等混合网络，可以定制硼酸盐BGs以实现所需的降解速率和生物反应，为快速骨再生和血管生成提供了多功能平台。磷酸盐生物活性玻璃
由于磷酸盐生物活性玻璃（Phosphate BGs）在化学成分上与骨骼相似，因此其在生物医学应用中受到了关注，这种相似性提高了生物相容性并促进了成骨细胞的增殖。(47) 结构上，磷酸盐生物活性玻璃由PO43?四面体单元通过共价P–O–P键连接而成，形成一个可以修改以调节降解性和生物活性的网络。(48) 浇入网络改性剂（如氧化钙或氧化钠）会破坏P–O–P键，并生成非桥接氧原子，这类似于在硅酸盐玻璃中观察到的效果，从而影响溶解度和离子释放。(49) 根据磷酸盐含量的不同，磷酸盐生物活性玻璃可分为多磷酸盐玻璃（<50mol% P2O5）、偏磷酸盐玻璃（约50mol% P2O5）和超磷酸盐玻璃（>50mol% P2O5），而反向玻璃的P2O5含量低于33.3mol%。(49) 磷酸盐生物活性玻璃的溶解会释放钙离子和磷酸根离子，这些离子直接参与羟基磷灰石（HAp）的形成，刺激骨生成和血管生成。其可调的吸收速率使得磷酸盐生物活性玻璃适用于关键尺寸的骨缺损支架和药物输送应用，而将其掺入聚合物或陶瓷复合材料中可以提高其在体内的机械强度。(50,51)

尽管硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐生物活性玻璃已被广泛研究并用于生物组织工程，但其生产通常涉及昂贵的前体物质和能源密集型过程。(52) 近年来，研究重点转向了以废弃物为原料的生物活性玻璃，这些废弃物如稻壳和蛋壳分别可以作为天然的二氧化硅和钙来源。(52,53) 这些可再生资源不仅为传统的化学前体提供了环保的替代方案，还降低了生物活性玻璃的制造成本。因此，专注于以稻壳和蛋壳为原料的生物活性玻璃是一种可持续且经济可行的策略，有助于扩大其生物医学应用范围。

3. 稻壳和蛋壳衍生的生物活性玻璃
利用农业废弃物作为主要原料，稻壳和蛋壳衍生的生物活性玻璃成为传统玻璃系统的可持续且经济可行的替代品。稻壳灰是高纯度非晶态二氧化硅的优秀来源，而蛋壳则富含碳酸钙，这两种成分都是生物活性玻璃配方中的关键组成部分。通过将这些丰富的生物质废弃物转化为高价值的生物医学材料，这种方法不仅减轻了环境负担，还制备出了具有优异生物相容性、骨传导性以及可控离子释放能力的生物活性玻璃。这类材料在生物组织工程中表现出良好的效果，为先进的医疗解决方案提供了环保的途径。

3.1. 稻壳衍生的二氧化硅
作为生物活性玻璃中的基本网络形成成分，二氧化硅可以来自多种来源，包括合成、地质和生物来源；每种来源都有其独特优势和局限性。合成前体如四乙基正硅酸盐（TEOS）和四甲基正硅酸盐（TMOS）因其高化学纯度、可预测的反应性以及能够生成均匀的玻璃网络而被广泛用于溶胶-凝胶合成。(54) 然而，这些化学品相对昂贵，需要有机溶剂且合成过程能耗较高，从环境和经济角度来看并不理想。(9) 地质来源如石英砂、火山灰和硅藻土更为丰富且价格较低，但它们提供的二氧化硅通常是结晶态的。(55) 将这些结晶态二氧化硅转化为非晶态需要高温处理（通常超过1400°C），这会增加能源消耗和生产成本。(56)

相比之下，从竹叶、甘蔗渣、咖啡壳、玉米秸秆、小麦壳和稻壳等生物和农业废弃物中提取的二氧化硅则提供了环保且经济可行的选择（图2）。(10,13,57) 这些废弃物经过适度煅烧后通常会生成非晶态二氧化硅，更适合用于生物活性玻璃的合成，因为其表面反应性更高且能耗更低。在这些生物来源中，稻壳尤其值得关注。印度每年产生的稻壳废弃物量约为9.6亿吨，这些废弃物对环境和人体健康都有危害。(10) 传统上，稻壳被视为农业废弃物，仅被用作低等级燃料或填充材料。在许多发展中国家，露天焚烧或随意倾倒废弃物会导致空气污染、土壤污染和温室气体排放。(58) 稻壳的独特之处在于其异常高的二氧化硅含量（通常为15–20 wt%），并且嵌入在纤维素、半纤维素和木质素的有机基质中。(59–61) 经过控制的热处理后，这些有机成分被去除，留下富含二氧化硅的轻质细粉（纯度通常超过90–95%）。(26) 在优化的煅烧条件（500–700°C）下，二氧化硅保持非晶态，不会结晶成石英，这对生物活性至关重要。(26) 重要的是，根据土壤成分和种植方式的不同，稻壳灰中可能天然含有镁、钾和铁离子等微量元素，这些元素被认为可以促进骨生成、血管生成和骨再生。(13)

稻壳灰是稻米加工过程中的丰富副产品，可分为白稻壳灰和黑稻壳灰，两者的主要区别在于煅烧条件不同。(62) 白稻壳灰是在充足氧气供应的条件下通过完全燃烧稻壳在500–700°C的炉中制备得到的。(10) 它呈现为细粉末，主要由非晶态二氧化硅组成，杂质含量极低（如K2O、P2O5、Na2O、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3<2 wt%），灼烧损失（<2%）表明残留碳含量极少，高比表面积和纯度使其非常适合用于生物活性玻璃的合成。相比之下，黑稻壳灰是由于不完全燃烧（常在露天或通风不良的窑中）形成的，碳含量较高（5–15%），含有非晶态和结晶态二氧化硅（如 cristobalite、tridymite）的混合相。因此在使用前需要进一步的酸碱处理。(63)

为了从稻壳中提取高纯度二氧化硅，主要采用两种处理方法：

3.1.1. 控制煅烧
将稻壳在空气中以受控的速度和温度加热。(60) 有机物完全燃烧而不会使非晶态二氧化硅转化为结晶相。可以使用TGA仪器分析碳含量或残留碳含量以确定二氧化硅的纯度。所得到的稻壳灰可以直接用于熔融法或溶胶-凝胶法制备生物活性玻璃。(18)

3.1.2. 碱提取和沉淀
用氢氧化钠处理稻壳以溶解其中的二氧化硅，生成硅酸钠。(64) 然后用酸（如HCl）中和，使二氧化硅沉淀。(65) 这种方法可以制备出粒径可控的超纯二氧化硅，适合用于溶胶-凝胶合成。研究发现，不同的煅烧温度会影响二氧化硅的相态。例如，Azmi及其团队使用了马来西亚 Johor 地区的稻壳，在700°C和1100°C下进行热处理，比较了所得二氧化硅与合成二氧化硅的性质。700°C下得到的二氧化硅为非晶态，而1100°C下得到的二氧化硅主要为 tridymite 和 cristobalite 结晶。XRF 显示合成二氧化硅纯度为99.6%，稻壳灰为86.3%，结晶稻壳灰为82.3%。FESEM观察发现结晶样品的颗粒形态较粗糙。总体而言，这项研究表明煅烧温度会将稻壳中的二氧化硅由非晶态（更具反应性）转变为结晶态，并略微降低纯度，从而指导应用中的温度选择。(66)

3.2. 蛋壳衍生的氧化钙
钙是生物活性玻璃合成中的关键成分，作为网络改性剂控制溶解速率、离子释放及最终的生物活性。传统上，石灰石、白云石和合成钙盐（如硝酸钙或醋酸钙）是主要的钙来源。(67) 尽管这些方法有效，但它们需要通过采矿或化学合成获得，通常能耗高且对环境有影响。作为回应，研究人员转向了以生物质废弃物为原料的钙来源，这些来源可再生、成本低且环保。这些废弃物包括牡蛎壳、蛤壳、贻贝壳、珊瑚、牛骨灰、鱼骨和蛋壳等，它们主要由CaCO3或磷酸钙组成，可以通过热处理转化为CaO。(18) 一些废弃物（如鱼骨和牛骨灰）还含有磷，可以同时提供钙和磷，适用于生物活性玻璃的配方。尽管有这些替代品，蛋壳仍因其全年可获得且预处理需求低而特别吸引人。目前市场上也有基于蛋壳的富含钙的产品（如Bone Health Original和OVOCET）。(68)

蛋壳是一种易于获得的生物质废弃物，来自家禽、食品和烘焙行业，是生物医学应用中优质的钙来源。(69) 结构上，蛋壳由外层的钙化壳和内层膜组成，其中矿物部分约占94–97%的碳酸钙（CaCO3），还含有少量碳酸镁、含磷化合物、有机基质蛋白以及锶、锌和锰等微量元素。(53,70) 在800–900°C下煅烧时，CaCO3热分解生成氧化钙（CaO），这是生物活性玻璃合成中的关键网络改性剂。(17,71–73) 氧化钙会破坏二氧化硅 network，提高玻璃在生理条件下的溶解速率，促进离子快速释放，进而与体液交换，增加局部碱性，并刺激玻璃表面的磷灰石沉淀。这种生物活性对于与骨组织的直接结合至关重要。

除了在增强生物活性方面的主要作用外，蛋壳衍生的氧化钙还具有可持续性和环保优势，减少了对不可再生石灰石采矿的依赖，降低了工业加工过程中的二氧化碳排放。此外，蛋壳中天然存在的微量元素具有协同生物效应：镁支持酶活性和骨矿化，锶促进成骨细胞增殖并抑制破骨细胞活动，锌则有助于抗菌和骨形成。(74) 利用这些内在成分优势，蛋壳衍生的氧化钙不仅满足了生物活性玻璃的功能要求，还带来了额外的生物功能潜力，使其成为先进的骨组织工程中低成本且可持续的原材料。最近关于基于蛋壳的生物材料的综述强调了它们在骨移植、伤口愈合支架和药物输送系统中的应用，其天然多孔性和生物活性有助于细胞迁移、血管生成和细胞外基质相互作用。(75) 蛋壳还被研究用于制备羟基磷灰石（HAp）、磷酸钙和纳米复合材料，以提高机械强度和骨传导性。除了硬组织再生外，它们的抗菌外壳层和可降解结构在药物输送和生物传感器开发中也显示出潜力。作者指出了其非毒性、可降解性和低免疫反应等优势，同时也指出了规模化生产、物种间成分差异以及临床验证的必要性。(75,76)

系统研究了Na2CO3/Al2O3比例对基于废弃物资源的钙氟铝硅酸盐生物活性玻璃结构和生物性能的影响，以优化其性能。研究发现，这一比例的变化显著影响了玻璃陶瓷的相组成、结晶度和热稳定性。在生理条件下，优化比例下的生物活性研究显示HAp形成得到增强，机械测试表明强度和耐久性也有改善。这些结果表明调整Na2CO3/Al2O3平衡对于精细调控废弃物基生物活性玻璃陶瓷的物理化学和生物性能至关重要。(77) 关于基于蛋壳的生物材料的综述强调了如何将这种常见的废弃物转化为多功能和高价值的生物材料，全面探讨了其化学成分及其作为HAp、生物活性玻璃、碳酸钙、β-三钙磷酸盐等前体的适用性。此外，综述还说明了如何将蛋壳衍生物 Incorporate 到生物复合材料中，以增强多孔性、可降解性和机械性能，使其适用于组织工程。除了结构应用外，该综述还讨论了蛋壳在药物输送、生物传感器开发和再生医学中的应用，强调了它们的生物相容性、微量元素含量和可持续性优势。总体而言，基于蛋壳的生物材料为实现生态责任和先进临床应用之间的平衡提供了创新解决方案。(75)稻壳和蛋壳衍生的生物活性玻璃用于骨骼再生

稻壳和蛋壳衍生的生物活性玻璃（BGs）代表了废物利用与先进生物材料设计的成功结合。稻壳灰是 rice 加工的副产品，是一种丰富且可再生的高纯度二氧化硅来源，而食品工业中废弃的蛋壳富含碳酸钙，可轻松转化为生物活性氧化钙。通过整合这两种农业废弃物，可以合成具有定制 Si–Ca–P 结构的 BGs，这种结构能够刺激骨骼再生、促进羟基磷灰石（HAp）的形成，并支持血管生成。这种可持续的合成方法不仅减轻了环境负担，还降低了生产成本，为使用矿源或合成前驱体制造的 BGs 提供了一种环保的替代方案。

图 3：利用稻壳和蛋壳作为二氧化硅和钙前驱体制备 BGs 的实验流程（经许可转载自 (78)）。高分辨率图像。下载 MS PowerPoint 幻灯片。

如图 3 所示，稻壳灰和蛋壳作为二氧化硅和钙的可持续来源被用于 BGs 的合成。该研究减少了对外部昂贵合成化学品的依赖，同时促进了环保材料的开发。合成的 BGs 在体外表现出生物活性，能够快速形成羟基磷灰石层，具有良好的生物相容性，并具有可控的药物释放潜力。此外，其骨传导性使其适用于骨植入应用。总体而言，这项研究强调了农业废弃物衍生 BGs 作为一种低成本、可持续的多功能材料，在骨组织工程和靶向药物递送系统中的潜力。

进一步的研究报道了通过熔融急冷法使用稻壳和蛋壳作为二氧化硅和钙前驱体制备 BGs 的方法。这些玻璃在结构、形态和成分方面进行了表征，其生物活性通过在 SBF（模拟骨液）中的浸泡进行了评估，证实了羟基磷灰石层的形成。在三盐酸（Tris-HCl）缓冲液中的降解测试显示了可控的溶解过程，MTT 实验证明了其细胞相容性。总体而言，这项研究突显了将农业废弃物转化为经济高效、可持续的 BGs 在骨组织工程中的潜力。

为了有效讨论结晶对传统资源和生物废弃物衍生 BGs 的结构、机械性能和细胞毒性特性的影响，了解结晶如何影响这些性质至关重要。Navneet Mattu 及其团队指出，可控的结晶可以通过形成稳定的晶相（如羟基磷灰石）来提高结构完整性和机械强度，同时也会影响生物活性和离子释放。因此，优化结晶过程对于平衡机械性能和生物相容性至关重要，从而制备出适用于骨组织工程的定制 BGs。

此外，还有研究报道了利用稻壳灰和蛋壳通过微波辅助熔融急冷法制备 45S5 BG 陶瓷。这种环保方法制备的材料表面多孔且粗糙，有利于与骨组织的整合。在 SBF 中浸泡后，样品显示出了碳酸钙-羟基磷灰石层的形成，证实了其生物活性。烧结后的 BG 陶瓷展现出更好的机械强度和显著的抗菌性能，强调了其作为骨组织工程可持续生物材料的潜力。

Shivani Punj 及其团队的研究表明，在较高温度下加入生物源二氧化硅和钙可制备出具有稳定非晶结构的 BGs，从而降低了加工过程中过早结晶的风险。体外生物活性测试证实了在 SBF 中快速形成羟基磷灰石层，表明其具有很强的骨整合潜力。这些发现表明，废弃物衍生的前驱体不仅可以降低生产成本，还能提高热稳定性，使其成为可持续骨组织工程的理想候选材料。

在讨论了由稻壳和蛋壳制备的 BGs 之后，最近的研究重点是通过金属离子掺杂来增强这些玻璃的生物和功能性。将特定金属离子掺入玻璃网络中可以显著影响成骨、血管生成和抗菌活性，具体取决于所选掺杂剂。例如，镁、锌、锶和铜等金属常被加入以促进骨骼再生和血管化，而银或铈离子则被添加以赋予抗菌或抗炎效果。掺杂可以在溶胶-凝胶处理过程中实现（通过将金属盐溶解到前驱体溶液中），或在熔融急冷合成过程中实现（在熔化前将金属氧化物直接与原材料混合）。需要注意的是，掺杂浓度必须严格控制，因为过量的掺杂可能会破坏玻璃结构或生物活性；而适当的掺杂水平则可以使离子融入玻璃基质并在生理环境中逐渐释放。

D. Kaur 及其团队专注于使用从稻壳废弃物中提取的二氧化硅制备硅酸盐-磷酸盐 BGs。这些玻璃的通用组成为 SiO2-P2O5-CaO-MoO3，其中 P2O5 和 CaO 的含量分别为 5% 和 25%，MgO 和 MoO3 的含量在 10–20% 和 0–5% 之间变化。通过将玻璃样品浸泡在 SBF 中评估其生物活性，结果显示形成了类似骨的羟基磷灰石层，证实了其生物活性潜力，这为它们在支架和植入材料中的应用提供了良好前景。

Ali Ozarslan 及其团队研究表明，在玻璃网络中加入锶可以同时提升结构和生物性能。体外结果表明生物活性得到改善，包括加速羟基磷灰石的形成并促进成骨活性。这些发现表明，锶掺杂的生物硅玻璃支架在较高温度下具有稳定的非晶结构，降低了加工过程中过早结晶的风险。

在我们最近的研究中，我们使用银和铜作为生物废弃物衍生 BGs 的掺杂材料。体外结果表明，银和铜的加入增强了细胞增殖，促进了成骨分化，并抑制了细菌生长，表明它们在骨骼修复中具有双重功能。体内生物相容性测试证实了其无毒性及良好的生物相容性，没有不良炎症反应。这些结果共同表明，银和铜掺杂的 BGs 作为一种多功能且有效的生物材料，在骨组织工程中具有巨大潜力。

此外，还有研究使用稻壳灰和其他氧化物通过低能量溶胶-凝胶工艺制备了锶掺杂的硼硅酸盐玻璃，减少了合成化学品的依赖并降低了环境影响。体外结果显示在 SBF 中快速形成了羟基磷灰石层，并增强了离子释放，锶的添加显著改善了生物矿化和成骨潜力，证实了其在骨组织工程中的适用性。

Huang 等人的研究报告了一种仿生支架的开发，该支架将蛋壳衍生的碳酸钙（CaCO3）与嵌入壳聚糖基质中的氧化镁纳米复合材料结合在一起（见图 4）。蛋壳作为一种可持续的钙来源，而氧化镁纳米颗粒的加入增强了成骨活性和机械强度。复合材料支架显示出了均匀的孔结构、改进的压缩强度和比单纯壳聚糖支架更好的生物活性。体外实验显示了优异的细胞相容性、在 SBF 中显著的矿物沉积以及成骨标志物的上调。包含 BMP-2 等生物活性分子进一步促进了骨骼再生潜力。总体而言，该研究强调了利用低成本生物废弃物（蛋壳）与 MgO 纳米复合材料和生物聚合物支持来创建具有机械强度和成骨诱导能力的多功能支架的有效性。

表 2 总结了稻壳和蛋壳衍生的 BGs 在骨组织工程中的应用。

表 2：农业废弃物衍生生物活性玻璃的概述

| 序号 | 二氧化硅前驱体 | 钙前驱体 | BG 组成 | 合成方法 | 生物学发现 | 结论 |
| ---- | -------- | -------- | -------- | --------- | ------- |
| 1 | 稻壳 | | SiO2-CaO-Na2O 系统（Na2O 含量可调） | 熔融急冷 | 通过在 SBF 中形成羟基磷灰石层证实了体外生物活性；与类成骨细胞具有细胞相容性 | 来自可持续资源的低成本 BG，具有强大的骨骼再生潜力（7） |
| 2 | 稻壳 | | 25% CaO-25% MgO-50% SiO2 | 微波辅助熔融急冷 | 通过在 SBF 中形成羟基磷灰石层；与类成骨细胞具有细胞相容性 | 微波辅助方法实现了从生物废弃物中快速、低成本地合成 BG，具有良好的骨骼再生潜力（89） |
| 3 | 稻壳 | | 43% SiO2-(25-x)CaO-xMgO-25%Na2O-7P2O5 (x = 0, 5, 10, 15) | 熔融急冷 | 通过在 SBF 中形成羟基磷灰石层；与类成骨细胞具有细胞相容性；改进的离子释放特性 | 从农业废弃物中改性的 BG 在生物活性和骨骼再生潜力方面表现出提升，结合了可持续性和功能性能（90） |
| 4 | 稻壳 | | 碳酸钙（合成钙来源） | | | | |
| 5 | 稻壳灰 | 硝酸钙 | | | | | |
| 6 | 稻壳灰 | 硝酸钙 | SiO2-P2O5-MgO-CaO-SrO 系统 | | | | | |
| 7 | 稻壳 | | | | | | |
| 8 | 稻壳 | | | | | | |
| 9 | 稻壳 | | | | | | |
| 10 | 稻壳 | | | | | | |
| 11 | 稻壳灰 | 硝酸钙 | | | | | |
| 12 | 稻壳 | | | | | | |
| 13 | 稻壳 | | | | | | |
| 14 | 稻壳 | | | | | | |
| 15 | 稻壳 | | | | | | |
| 16 | 稻壳 | | | | | | |
| 17 | 稻壳 | | | | | | |
| 18 | 稻壳 | | | | | | |
| 19 | 稻壳 | | | | | | |
| 20 | 稻壳 | | | | | | |
| 21 | 稻壳 | | | | | | |
| 22 | 稻壳 | | | | | | |
| 23 | 稻壳 | | | | | | |
| 24 | 稻壳 | | | | | | |
| 25 | 稻壳 | | | | | | |
| 26 | 稻壳 | | | | | | |
| 27 | 稻壳 | | | | | | |
| 28 | 稻壳 | | | | | | |
| 29 | 45S5 BG 陶瓷 | | | | | | |
| 30 | 稻壳 | | | | | | |
| 31 | 稻壳 | | | | | | |
| 32 | 稻壳 | | | | | | |
| 33 | 稻壳 | | | | | | |
| 34 | 稻壳 | | | | | | |
| 35 | 稻壳 | | | | | | |
| 36 | 稻壳 | | | | | | |
| 37 | 稻壳 | | | | | | |
| 38 | 稻壳 | | | | | | |
| 39 | 稻壳 | | | | | | |
| 40 | 使用银和铜作为掺杂剂在生物废弃物衍生 BGs 中 | | | | | | |
| 41 | 体内生物相容性结果显示银和铜的加入增强了细胞增殖，促进了成骨分化，并抑制了细菌生长，表明它们在骨骼修复中具有双重功能 | | |
| 42 | 钡掺杂的硼硅酸盐玻璃通过低能量溶胶-凝胶工艺使用稻壳灰和其他氧化物制备 | | | | | | |
| 43 | 黄等人的研究报道了一种仿生支架的开发，该支架将蛋壳衍生的碳酸钙（CaCO3）与嵌入壳聚糖基质中的氧化镁纳米复合材料结合在一起（见图 4） | | | | |
| 44 | 硅酸盐-磷酸盐 BG 通过稻壳灰和其它氧化物熔融急冷制备 | | | | | | |
| 45 | 核心结果显示掺入锶的玻璃网络提升了结构和生物性能 | | | | | | |
| 46 | 使用稻壳灰和硝酸钙制备铜掺杂的硼硅酸盐玻璃 | | | | | | |
| 47 | 研究表明银和铜的加入增强了细胞增殖，促进了成骨分化，并抑制了细菌生长，表明它们在骨骼修复中具有双重功能 | | | |
| 48 | 使用天然废弃物（如稻壳灰和蛋壳）通过熔融急冷方法制备铜掺杂的硼硅酸盐玻璃 | | | | | | |
| 49 | 硅酸钙（合成钙来源） | | | | | | |
| 50 | 二氧化硅-24% Na2O-21.60% CaO-4.43% SrO-5.88% P2O5 | | | | |
| 51 | 研究表明锶的加入提升了骨组织工程的骨生成潜力和生物相容性 | | | | |
| 52 | 稻壳灰 | | | | | |
| 53 | 研究表明稻壳灰是一种有效且低成本的二氧化硅来源，用于制备具有优异生物活性的 BG | | | |
| 54 | 45S5 BG 通过熔融急冷制备 | | | | | |
| 55 | 通过优化烧结温度提升了机械强度；在 SBF 中形成羟基磷灰石层证实了生物活性；细胞相容性 | | | |
| 56 | 稻壳 | | | | | | |
| 57 | 研究指出，在稻壳衍生陶瓷中加入 PCL 可提升机械性能，同时保持生物活性，适用于骨组织工程支架 | | | |
| 58 | 多项研究表明，来自稻壳和蛋壳的 BGs 在物理化学和生物学特性上可与传统合成 BGs 相媲美 | | | |
| 59 | 研究表明从稻壳灰中提取的二氧化硅提供了高纯度、非晶态的 SiO2 网络，具有与商业四乙基正硅酸盐（TEOS）基玻璃相似的成玻璃能力和网络连通性 | | |
| 60 | 类似地，从煅烧蛋壳中提取的 CaO 可有效替代硝酸钙或碳酸钙，保持了生物活性所需的 SiO2–CaO–P2O5 化学计量比 | | |
| 61 | 结构分析（如 XRD、FTIR 和 BET）证实，无论是废弃物衍生还是传统 BGs 都形成了具有相似表面积和孔分布的非晶结构，这些是影响离子交换和羟基磷灰石形成的关键因素 | |
| 62 | 废弃物衍生 BGs 在 SBF 中显示了相似的羟基磷灰石形成和离子释放特性，表明其生物活性相当 | |
| 63 | 体外使用类成骨细胞（如 MG-63）的研究表明，天然来源中的微量元素可能进一步促进骨生成 | |
| 64 | 总体而言，这些发现验证了废弃物衍生 BGs 在组成、结构和生物性能上可与传统制备的玻璃相媲美，同时提供了显著的环境和经济优势（见表 3） | |

总之，稻壳和蛋壳衍生的生物活性玻璃在骨组织工程中展现了巨大的潜力，作为低成本、可持续的多功能材料具有广泛的应用前景。化学制备和废弃物衍生的BG的物理化学性质
类别：物理化学性质
化学制备的BG
废弃物衍生的BG（稻壳/蛋壳）
其重要性

1. **物理化学性质**
- **原材料来源**：纯商业前体（SiO2、CaCO3、Na2CO3）；稻壳（SiO2）和蛋壳（CaCO3）作为天然、低成本的前体
- **促进循环经济并降低原材料成本**（91, 102）

2. **纯度和组成**
- 高纯度且组成可控
- 存在一定变异性，但可通过预处理进行优化
- 纯度影响玻璃网络结构、反应性和HAp层形成（13, 24, 103）

3. **合成方法**
- 熔融淬火、溶胶-凝胶、泡沫复制
- 与溶胶-凝胶、熔融淬火和共沉淀方法兼容
- 类似的加工灵活性便于原材料替换（34, 91, 104）

4. **结晶度**
- 大多为非晶态
- 非晶态或部分结晶态，取决于煅烧条件
- 非晶结构增强生物活性和与骨的结合（93, 105）

5. **颗粒形态**
- 球形或不规则形状
- 不规则形状，有时具有纳米多孔性
- 影响细胞粘附性和生物活性（85, 106）

6. **生物特性**
- **生物活性（HAp形成）**：HAp层通常在1-7天内形成
- HAp形成有利于早期骨骼结合（98）
- **生物相容性**：良好的细胞活力和增殖能力；无细胞毒性（100, 101）
- **离子释放**：可控制且标准化；受原材料影响
- 离子释放影响骨形成、血管生成和抗菌活性（78, 99）

7. **经济和环境效益**
- **成本**：纯原材料成本高；农业废弃物和食品废弃物的成本很低或可忽略
- 降低总体生产成本，使BG更易于获得（9）
- **碳足迹**：由于开采和加工成本较高；回收废弃物和环保处理可降低温室气体排放（107, 108）
- **可持续性**：高度促进废弃物价值和循环经济
- 支持可持续生物材料发展和可持续发展目标（109）

8. **转化和可持续性前景**
- 将稻壳和蛋壳衍生的BG材料应用于临床不仅基于其已证明的生物效果，还基于其显著的可持续性优势。将这些农业和食品废弃物纳入先进生物材料，符合全球减少环境影响、推动循环经济原则的倡议，为医疗挑战提供具有成本效益的解决方案。

9. **可持续性和循环经济的好处**
- 稻壳和蛋壳丰富、可再生且成本低廉，全球范围内产生量大
- 将其作为BG合成原料有助于减轻环境污染，通过将废弃物转化为高价值生物医学产品
- 采用这些材料支持循环经济，减少对高纯度硅和钙等开采原材料的依赖（这些原料通常能耗高且提取成本高）
- 降低生物材料制造的碳足迹，降低生产成本，促进可持续工业实践

10. **成本效益和可扩展性**
- 使用稻壳和蛋壳原料大幅降低BG生产成本
- 其广泛可用性确保供应链稳定，有利于工业大规模生产和临床广泛应用
- 加工技术日益高效且环保，能耗更低，使用更少的有害化学物质
- 为大规模生产可持续BG铺平道路，同时保持质量和生物活性

11. **临床转化挑战与机遇**
- 尽管有令人鼓舞的临床前数据，但仍需解决若干问题以实现临床应用
- 监管批准需要全面评估材料一致性、生物相容性和长期安全性
- 生产方法标准化以确保可重复性和批次间均匀性
- 集成到医疗设备（如支架、涂层或水泥）中需满足严格机械和功能要求
- 材料科学家、生物医学工程师和临床医生之间的合作对设计符合临床需求的产品至关重要
- 应用范围包括非承重骨缺损、牙科应用及植入物涂层，以增强骨整合和预防感染

12. **未来发展方向**
- 稻壳和蛋壳衍生的BG在生物性能和可持续性方面具有潜力
- 需探索更多途径以充分利用其在骨组织工程中的潜力
- 解决未来挑战和机遇是将其从实验室研究推向广泛临床应用的关键

13. **长期临床研究**
- 当前研究主要集中在短期至中期体外和至少部分体内评估
- 需进行长期临床前研究以验证安全性和功能性能
- 应评估骨再生、系统效应、生物降解行为、免疫反应及长期与原生组织的整合

14. **功能化和生物活性增强**
- 功能化策略可提高再生能力
- 将生长因子（如BMP-2、VEGF）、肽或药物掺入玻璃基质或复合支架
- 纳米结构和表面修饰可改善细胞与细胞外基质的相互作用

15. **与先进支架技术的整合**
- 3D打印、电纺或生物打印等技术可精确控制支架结构、孔隙率和机械性能
- 该技术有助于创建模拟原生骨组织的个性化植入物
- 可在这些结构中整合干细胞或前体细胞，加速组织再生

16. **环境和经济影响评估**
- 未来研究应进行全面生命周期评估，量化使用稻壳和蛋壳废弃物的环境效益
- 经济分析有助于评估成本节省和市场可行性，促进工业应用

17. **结论**
- 由稻壳和蛋壳废弃物合成的BG是骨组织工程的可持续且资源高效的选择
- 这些废弃物衍生材料具有与传统BG相当的物理化学和生物特性
- 成功将低成本废弃物转化为高价值生物材料，体现了真正的“废弃物转化为财富”模式
- 需解决组成控制和标准化合成/评估协议等问题以确保可重复性和安全性
- 未来研究应优化加工参数，阐明生物活性分子机制，推进临床前和临床验证

总体而言，稻壳和蛋壳衍生的BG为下一代骨再生策略提供了环保且具有成本效益的平台，符合循环经济原则。