二、生物活性玻璃促进骨再生修复的细胞学响应
（一）生物活性玻璃促进骨再生修复的基因激活机制
生物活性玻璃区别于其他骨修复材料的特有属性是生物活性玻璃独特的基因激活作用。当与体液接触后，生物活性玻璃可迅速释放出硅、钙、磷等元素，而这些元素在生物活性玻璃的促成骨性能中起到非常重要的作用并直接影响细胞中基因的表达。其中硅元素是成骨发育中一种重要的元素，缺乏硅元素后导致骨代谢的异常。钙是骨和牙齿的主要组成元素，同时也是细胞内的第二信使，广泛存在于各种细胞中，参与和调节细胞的多种功能。随着RTPCR、RNA杂交、原位杂交、实时RT-PCR、基因芯片等先进研究技术的应用，生物活性玻璃的基因激活作用近年来开始得到越来越深入的研究。表9-2为以往报道的45S5玻璃上调和下调的成骨相关基因。
表9-2 45S5上调和下调的成骨相关基因
注：基因表达：+.表达，++.上调；OB.osteoblast，成骨细胞；FOB.foetal osteoblasts，胚胎成骨细胞；HOB.human osteoblasts，人成骨细胞。
基于近几年的研究，Jell等提出了生物活性玻璃的基因激活作用机制。细胞主要是通过其表面能够识别细胞因子、趋化因子、机械应力、气体和生理性离子的受体与周围环境发生相互作用。细胞外基质可与细胞表面的整合素等受体发生相互作用，从而导致胞内信号分子的级联放大效应，并作用于特定的转录因子来激活或者关闭基因表达。被生物活性玻璃激活的基因通过转录和翻译过程合成相应的蛋白质，细胞的表型就是由这些蛋白质所决定的。而通过这一过程，细胞的增殖、存活、分化或基质形成也发生相应的变化，使细胞实现了对生物活性玻璃刺激的响应。生物活性玻璃所溶出离子的类型、离子的释放速率、玻璃的表面化学结构和拓扑结构以及材料界面的剪切应力这四个方面对生物活性玻璃调控相关细胞的基因表达起到决定性作用（图9-8）。
图9-8 生物活性玻璃的基因表达调控机制
目前国内外关于第一代生物活性玻璃（45S5）的基因激活机制研究较为透彻，而对微纳米生物活性玻璃介导干细胞成骨分化的研究相对较少且不够深入，特别是对具有不同形貌、大小、组成的微纳米生物活性玻璃与成骨相关细胞的相互作用过程和影响规律、微纳米结构在不负载诱导因子情况下介导干细胞成骨分化的能力和作用机制等方面的研究，仍存在许多未知领域。Jones课题组研究了亚微米级的溶胶-凝胶生物活性玻璃对骨髓干细胞和脂肪干细胞的影响，研究发现亚微米级颗粒可以通过内吞作用进入细胞，不影响细胞的代谢活性，并随时间逐渐降解，低浓度下几乎没有细胞毒性；Boccaccini课题组报道了45S5熔融生物活性玻璃纳米颗粒可以有效促进骨髓干细胞的黏附、增殖、成骨分化，一定浓度下可以显著上调骨钙素、Ⅰ型胶原蛋白等成骨基因表达，促进血管内皮生长因子产生。笔者课题组研究发现微纳米生物活性玻璃可通过激活ERK和p38信号通路促进成骨相关基因的表达（图9-9）。
图9-9 通过释放Si、Ca离子，激活MAPK信号通路促进成骨相关基因的表达
（二）生物活性玻璃促进骨再生修复的骨免疫调节
目前生物材料体外成骨性能主要是通过研究生物材料对成骨相关细胞的成骨分化能力来评价。然而许多在体外研究中表现出较好成骨性能的材料被植入体内后却不能促进骨修复。因此，这种缺乏体内实际环境考量的体外成骨性能评价系统具有一定的局限性。近年来的研究表明，生物材料植入到骨缺损部位后可以引起机体对异物的固有免疫反应以及适应性免疫反应，这些免疫反应能够发挥双向调节作用，既可以起到正性的促进骨修复作用，也可以阻碍生物材料的促成骨作用。而固有免疫系统中的一份子——巨噬细胞，由于其在组织损伤后能够具有显著的组织再生调控作用而受到了广泛的关注。巨噬细胞既可以通过经典激活途径（classical activation macrophage，M1）促进炎症反应，清除病原体；也可以通过替代激活途径（alternative activation macrophage，M2）抑制炎症反应，促进组织修复。M1和M2是巨噬细胞的两种极化类型，巨噬细胞受细胞外微环境影响向M1和M2极化，且这种极化具有可逆性。巨噬细胞这种显著的功能可塑性，使其在疾病和组织再生中起到关键的作用。巨噬细胞在骨修复材料的作用下可向M1和M2不同方向极化，进而影响骨缺损部位炎症的持续时间，最终影响骨缺损部位的修复进程，而这也是导致不同生物材料骨修复能力呈现差异性的关键因素。系统考察巨噬细胞在生物活性玻璃作用下的极化状态，以及极化的巨噬细胞对骨再生过程的影响，将有助于进一步解释生物活性玻璃对骨再生影响的免疫学机制，为生物活性玻璃在骨修复中的应用找到新的治疗思路。通过生物活性玻璃这种特殊材料作为对巨噬细胞功能的调控介质，达到促进病损骨组织重建的目的，这种方法可以避免有害的持续过度炎症反应。由于生物活性玻璃植入体内后会经历不同程度的降解，目前免疫调节在生物活性玻璃骨再生修复的研究主要集中于玻璃溶出离子对骨修复的影响。
钙（Ca）是磷酸钙骨生物材料的一种主要成分，在某些炎症信号通路中是重要的参与者。非经典的Wnt5A与FZ5结合可以激活Wnt/Ca2+信号通路，通过钙调蛋白（CaM）依赖的蛋白激酶Ⅱ（CAMKⅡ）、蛋白激酶C等下游炎症因子，激活转录因子NF-κB来上调炎症细胞因子的基因表达。高浓度的细胞外Ca也被发现能激活钙敏感受体（CaSR）信号级联导致Wnt5A的产生，从而通过抑制NF-κB来降低 TNF-α的表达，或通过 Wnt5A/Ror2信号通路下调TNFR1的表达，而达到抑制炎症反应的作用。
硅是骨发育的必需微量元素，在骨再生的早期矿化阶段，活跃的钙化部位可以发现硅元素。膳食中硅摄入不足会导致骨骼畸形，而在膳食中补充硅元素可以抑制去卵巢动物的骨吸收。液体硅已被报道能促进成骨细胞的增殖、分化和胶原产生。生物活性玻璃中释放的含硅离子的产物对成骨细胞的增殖分化也有类似的刺激效应。Si离子还可能引发免疫反应，例如，二氧化硅粒子的吸入是矽肺的主要原因。与微米级的二氧化硅相比，纳米二氧化硅粒子具有轻微的纤维化作用，可能是由于其扩散和转移比微米级粒子更容易。此外，因为在病变部位和该组患者血液中发现了高浓度的硅，研究认为，硅凝胶乳房植入物的降解产物接触宿主组织可能会导致自身免疫性疾病或炎症性疾病。