综述：超越生物活性玻璃成分——利用形态学改善体外和体内性能

　　本综述系统阐述了生物活性玻璃（BG）的形态特征（如尺寸、形状、表面结构）对其性能的深刻影响。作者强调，通过调控比表面积（SA/V）、表面粗糙度或图案化，可精准调节离子释放速率、磷灰石层形成、细胞行为（如黏附、增殖、分化）及抗菌效果，为优化BG在骨再生和抗感染应用中的设计提供了关键见解。

　　

生物活性玻璃（BG）如45S5和S53P4已被广泛应用于非承重部位骨缺损的治疗。传统研究多集中于通过成分功能化（如添加治疗性离子）来优化性能，然而形态学参数——包括尺寸、形状和表面结构——对BG行为的影响常被低估。本综述通过系统分析表明，形态特征是调控BG性能的关键因素，尤其在材料与水性溶液接触的实验中（如无细胞浸渍研究、细胞或细菌体外实验、动物实验及临床研究）。

形态对无细胞浸渍实验的影响

BG与水性介质间的反应强烈依赖于比表面积（SA/V）。减小粒径或增加SA/V可加速离子释放和表面反应，导致更快的pH升高和磷灰石层形成。例如，Sepulveda等发现，45S5细粉末（5–20 μm）在SBF中24小时后的pH可达8–8.5，而粗颗粒（90–710 μm）仅使pH升至7.5–8。硅释放速率随粒径增大而降低，但磷酸盐浓度因磷灰石沉淀而迅速下降。Zhang等进一步证实，粒径减小会导致颗粒床内部pH显著高于整体溶液（如达11以上），这种局部高pH甚至可能抑制磷灰石沉积。

表面形貌也影响反应动力学。Sinitsyna等比较了S53P4火焰喷涂微球与熔融破碎颗粒的溶解行为，发现后者因尖锐边缘和更高表面能而反应更快。孔隙率同样关键：Islam等制备的多孔微球（45S5和S53P4）因其高SA/V而显示更快的降解和磷灰石形成。值得注意的是，颗粒在颗粒床中的位置导致反应梯度——外围颗粒形成均匀表面层，而内部颗粒因扩散受限和局部过饱和可能无层形成。这暗示在体内（如骨空洞内），流体交换缓慢的区域可能出现类似现象。

体外细胞实验中的形态效应

BG形态通过改变离子释放和pH而间接影响细胞行为。增加SA/V（如纳米颗粒）可增强细胞活性和分化。Ma?kovi?等显示，45S5纳米颗粒（20–60 nm）在浓度达200 μg mL^?1时仍保持细胞活力，并显著提升MG63成骨细胞的碱性磷酸酶（ALP）活性和线粒体活性。相反，大颗粒（如S53P4的2–3 mm范围）在高浓度下抑制血管内皮生长因子（VEGF）表达。

预 conditioning是常用策略以控制BG引起的pH骤升。Hattar等发现45S5颗粒经Tris缓冲液预处理后并不影响成骨细胞mRNA表达。有趣的是，BG-induced的碱化在低pH条件下（如缺氧）可能有益：Pérez-Tanoira等证明S53P4颗粒可通过中和局部酸性环境而改善SaOS-2细胞在缺氧下的黏附。

表面拓扑结构直接调控细胞行为。Gough等比较了抛光（平滑）与粗糙45S5表面，发现粗糙表面虽延迟肌动蛋白组织，但促进骨结节形成。Pf?ss和H?ner等通过微图案化表面（如沟槽-脊结构）引导人间充质干细胞（hMSC）和RAW264.7细胞定向排列和分化。Detsch等利用软光刻技术制备的微结构表面也显示细胞接触引导效应，但因烧结粗糙度而效果较复杂。表面功能化（如硅烷化和纤连蛋白涂层）可进一步增强细胞黏附。

形态对抗菌活性的影响

减小粒径和增加SA/V增强BG的抗菌效果，主要源于更快的离子释放、pH升高和渗透压变化。Zhou等表明，S53P4和45S5的小颗粒（32–125 μm）对多种细菌（如链球菌、MRSA）及其生物膜的抑制效果显著优于大颗粒（1–2 mm）。Gonzalez Moreno通过等温微量热法证实，S53P4粉末（<45 μm）在高浓度（800 mg mL^?1）下大幅降低白色念珠菌和金黄色葡萄球菌的代谢活性。

表面粗糙化提供物理抗菌机制。Shaikh等用飞秒激光在45S5表面创建微结构（最大粗糙度R_a=6.3 μm），并结合表面结晶化（如硅灰石、氢氧化钙），实现了物理和化学抗菌协同效应。值得注意的是，BG固有的抗菌性使其无需像羟基磷灰石那样依赖预处理：Stoor等发现血清预处理不增强S53P4和45S5对流感嗜血杆菌和肺炎链球菌的抗菌效果。

体内动物实验与临床研究中的形态效应

颗粒尺寸分布显著影响体内骨再生和降解。Wheeler等在兔股骨缺陷模型中比较45S5宽粒径范围（90–710 μm）和窄范围（300–355 μm），发现宽范围颗粒因更高SA/V而促进更多骨形成和骨整合，且降解更快（12周时粒径减小约30%）。Wilson & Low早期研究也提示，小于500 μm的颗粒可能引发巨细胞反应，而大颗粒则无。

临床研究中，Suominen & Kinnunen发现S53P4板（低SA/V）在面部重建中降解缓慢且骨接触良好，而颗粒（高SA/V）吸收快但常与宿主骨接触不良。Lindfors & Aho的长期随访（14年）显示，小骨缺损中S53P4颗粒完全降解，而大缺损中残留颗粒常见，提示缺陷尺寸和可能粒径影响降解速率。

孔隙支架的形态设计调控骨长入和降解。Shi等比较凝胶泡沫和3D打印的ICIE16支架，发现前者因高孔隙率（75%）和薄支柱（36 μm）而降解更快，但后者在10周时骨长入更优。凹孔结构似乎促进新骨形成，暗示拓扑或化学效应。

结论

BG形态是调控其性能的核心参数。SA/V比率主导溶解动力学、离子释放和表面反应，进而影响细胞响应、抗菌活性和体内降解。表面拓扑和图案化提供额外控制维度，用于引导细胞行为或抑制细菌黏附。未来需更多研究整合物理与化学效应，并探索相同形态对溶解-细胞-细菌的协同影响，以优化BG在再生医学和抗感染应用中的设计。