[论文解读] Modern Definition of Bioactive Glasses and Glass-Ceramics

Adam Shearer, Maziar Montazerian+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2022

Bone Tissue Engineering Materials被引用 4

一句话总结

本文提出了生物活性玻璃（BGs）和玻璃陶瓷（BGCs）的现代、扩展定义：即非平衡态、非晶态或无机非金属材料，经工程设计以诱导特定生物活性。新定义涵盖骨组织与软组织再生、离子输送、热疗、光疗、近距离放射治疗及药物输送，反映出这些材料在传统骨结合之外的广泛临床与治疗应用。

ABSTRACT

Bioactive glasses (BGs) and glass-ceramics (BGCs) have become a diverse family of materials being applied for treatment of many medical conditions. The traditional understanding of bioactive glasses and glass-ceramics pins them to bone-bonding capability without considering the other fields where they excel, such as soft tissue repair. We attempt to provide an updated definition of BGs and BGCs by comparing their structure, processing, and properties to those of other biomaterials. The proposed modern definition allows for consideration of all applications where the BGs and BGCs are currently used in the clinic and where the future of these promising biomaterials will grow. The new proposed definition of a bioactive glass is "a non-equilibrium, non-crystalline material that has been designed to induce specific biological activity". The proposed definition of a bioactive glass-ceramic is "an inorganic, non-metallic material that contains at least one crystalline phase within a glassy matrix and has been designed to induce specific biological activity." BGs and BGCs can bond to bone and soft tissues or contribute to their regeneration. They can deliver a specified concentration of inorganic therapeutic ions, heat for magnetic-induced hyperthermia or laser-induced phototherapy, radiation for brachytherapy, and drug delivery to combat pathogens and cancers.

研究动机与目标

• 解决传统定义的局限性，即限制生物活性玻璃与玻璃陶瓷仅用于骨结合应用。
• 将新兴临床应用如软组织修复、药物输送与热疗纳入核心定义。
• 提供一个统一、科学严谨的框架，以反映当前及未来生物材料应用的完整范围。
• 更新BGs与BGCs的概念基础，以契合材料设计与生物功能性的最新进展。
• 确保定义在包括光疗、放射治疗与离子输送在内的多种治疗模式中保持相关性。

提出的方法

• 对比分析BGs与BGCs在结构、制备工艺与功能特性方面与其它生物材料的异同。
• 基于功能意图进行定义优化：即旨在诱导特定生物反应的材料。
• 将多种治疗机制——离子释放、热疗、放射治疗与药物输送——整合进核心标准。
• 采用结构与成分标准：BGs为非平衡态、非晶态；BGCs为玻璃基体中含至少一个晶相。
• 将新定义应用于现有临床材料与新兴应用，以验证其适用范围与实用性。
• 将研究成果整合为正式、可发表的定义，适用于学术与临床推广。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何更新生物活性玻璃的定义，以反映其在骨结合之外不断扩展的角色？
• RQ2 一种材料必须满足哪些结构与功能标准，才能在现代生物医学语境中被归类为生物活性？
• RQ3 BGs与BGCs的功能能力如何延伸至软组织再生与靶向治疗？
• RQ4 离子输送、热疗与放射治疗在何种程度上与“生物活性”概念相契合？
• RQ5 能否建立一个统一、以功能为导向的定义，涵盖当前及未来所有应用的完整谱系？

主要发现

• 现代生物活性玻璃的定义为：一种非平衡态、非晶态材料，经专门设计以诱导特定生物活性。
• 现代生物活性玻璃陶瓷的定义为：一种含至少一个晶相的无机非金属材料，其基体为玻璃态，经工程设计以诱导特定生物活性。
• BGs与BGCs现被公认可与骨组织及软组织结合，从而支持更广泛的再生医学应用。
• 这些材料可输送治疗性离子，产生热量用于热疗，发射辐射用于近距离放射治疗，并实现靶向药物输送。
• 更新后的定义支持光疗、癌症治疗与抗微生物治疗等新兴应用。
• 新框架确保了科学一致性，并具备面向未来生物材料创新的前瞻性兼容性。