硅在生物材料领域的应用增加材料生物活性不影

文题释义：45S5生物活性玻璃：由Hench教授在1971年研制出的一种Na-Ca-Si系玻璃，该种玻璃植入人体后，能与生物环境发生一系列特殊的表面反应，使材料与自然组织形成牢固的化学键结合而具有生物活性。一般Bioglass代指组成为 45S5的生物活性玻璃。45S5生物活性玻璃的组成(质量分数)：Na2O 24.5%，CaO 24.5%，P2O56.0%，SiO245%。45S是指45%质量分数的SiO2，5表示Ca和P的摩尔比为5∶1。

硅酸盐：指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的总称。它在地壳中分布极广，是构成多数岩石(如花岗岩)和土壤的主要成分。

上海市普陀区卫生系统自主创新项目(2013PTKW015)

Abstract

BACKGROUND:Silicon plays an essential role in bone development and bioactive silicate glasses pioneered the current era of bioactive materials. Various biomaterials have been developed based on the biological function of silicon.

OBJECTIVE:To explore the biological function of silicon and research process of silicon in biomaterials.

METHODS:A computer-based retrieval of CNKI, PubMed, SpringerLink and Elsevier ScienceDirect databases was performed to search the relevant literatures concerning the biological function of silicon and its application in biomaterials. All data were primarily screened to exclude repeated and irrelevant articles. Literatures about the application of silicon in biomaterials were included.

RESULTS AND CONCLUSION:A total of 68 eligible English articles are enrolled. Silicon plays important chemical and biological roles in bone. Silicon in the extracellular matrix interacts with glycosaminoglycans and proteoglycans during their synthesis and form ionic substitutions in the crystal lattice structure of hydroxyapatite. In addition, the dissolution products of bioactive glass (mainly silicic acid) expose significant influence on the molecular biology of osteoblasts in vitro, and can regulate the expressions of several genes including osteoblastic markers, cell cycle regulators and extracellular matrix proteins. Silicon has been proved to improve the bioactivity of numerous materials and do no harm to their mechanical properties and without cytotoxicity.

Funding:the Self-Innovation Project of Health System in Shanghai Putuo District, No. 2013PTKW015

Cite this article:Zhang SL, Cheng XY, Ji B. Application of silicon in biomaterials: an increase in bioactivity but with no change in mechanical performance. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(2):296-302.

0 引言 Introduction

硅在自然界分布广泛，在地球表面的含量仅次于氧，占地壳重量的1/4以上。硅在地质中含量丰富，但生物体中的硅含量却很少，在高等动物体内只是一种微量元素。硅在自然界中以各种化合态存在，常以硅酸盐或二氧化硅的形式存在。以往的研究证明骨骼中的硅具有重要的生物学功能，研究人员利用硅的生物学功能，已研制出各种不同的生物材料。文章对生物材料领域受到越来越多关注的硅基分子、化合物和复合材料的相关知识进行了综述。硅在医疗领域的应用越来越广泛，本文重点讨论了其在骨科的应用。

1 资料和方法 Data and methods

1.1 资料来源 由第一作者用计算机检索中国期刊全文 数 据 库 、 PubMed、 SpringerLink、 Elsevier ScienceDirect数据库，检索时间1970至2015年，检索词分别为“硅、生物材料、羟基磷灰石、生物活性玻璃、硅酸盐、多孔硅”和“Silicon，Biomaterial，Hydroxyapatite，Bioactive glass，Silicate，Porous silicon”，语言分别设定为中文和英文。

1.2 纳入与排除标准 纳入内容与硅的生物学作用和在生物材料领域的应用相关文献；排除重复研究和关联性较小的文献。文献检索流程图见图1。

2 结果 Results

2.1 硅在骨骼生物学中的作用 Carlisle[1-2]和Schwarz[3]发现，硅是正常生长发育的必须元素，饮食中缺少硅可导致异常的骨和软骨形成。Carlisle证明了用添加硅的食物(含有28 mg/L硅的硅酸钠)喂养小鸡可促进骨生长、增加关节软骨的量、增加骨质含水量、骨盐生化改变、氨基己糖和胶原含量[4-5]。电子探针分析表明，硅主要集中于发育中骨的生长部位，如骨骺生长板[6-7]，此处是成骨活性最高的部位。

图1 文献检索流程图

成骨细胞中硅与镁和磷的数量相近[5]，分布于线粒体和其他细胞内的细胞器[6]，通过对腹腔内注射硅胶引起肾病的大鼠线粒体进行研究进一步证实了这一点。硅位于线粒体内，形成密集的直径4.0-5.0 nm大小的球体，并进一步形成直径15-120 nm的聚集体[8]。

体外研究表明，添加浓度为5-50 μmol/L原硅酸的人成骨细胞Ⅰ型胶原蛋白表达显著增加[9]，原硅酸浓度为10-20 μmol/L时，Ⅰ型胶原蛋白合成增加[10]。与缺少硅的小鸡相比，食物中添加硅可使发育中的小鸡喂养12 d后骨胶原蛋白含量增加100%[4]。

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