编者按：中科院之声与中国科学院上海硅酸盐研究所联合开设“科普硅立方”专栏，为大家介绍先进无机非金属材料的前世今生。我们将带你——认识晶格，挑战势垒，寻觅暗物质，今古论陶瓷；弥补缺陷，能级跃迁，嫦娥织外衣，溢彩话琉璃。

玻璃，从专业术语来说是一种无规则结构的非晶态无机非金属材料（化学组成为Na₂SiO₃、CaSiO₃、SiO₂或Na₂O·CaO·6SiO等）。在日常生活中，我们会见到各种各样的玻璃，例如：门窗、车窗安全玻璃、瓶罐以及实验室的玻璃器皿等。另外，还有一些应用于高科技领域的“特殊玻璃”，它们的化学组成或组分比例与普通玻璃不同。通过掺入微量的特殊成分使玻璃拥有特殊的功能，进而应用于特殊的领域。例如：在玻璃中引入Nb_{2 2}OO₅Nb₂O₅、Ta₂O₅形成高折射的光学玻璃；掺钕元素的硅酸盐激光玻璃等。

在医疗领域，存在一种拥有“活性”的玻璃——生物活性玻璃。那这种玻璃与普通的玻璃又有什么不同呢？

生物活性玻璃的出现要追溯到一种名为45S5的生物玻璃（SiO₂-CaO-Na₂O-P₂O₅，45Wt% SiO₂, 24.5Wt%Na₂O，24.5Wt% CaO以及6wt% P₂O₅）的出现。1969年，Hench教授研制出了这种具有优秀生物活性的45S5玻璃，并发现作为材料植入体内后，其表面没有被纤维组织包裹，自此生物活性玻璃走进人们的视线。1985年第一个生物玻璃产品“MEP”成功上市，并临床用于听骨链置换，治疗成功率高达90%。

生物活性玻璃如此优异的性能吸引了众多研究者对其进行系统的研究。其中，钙硅基生物活性玻璃由于组成可调并且可以根据需要进行成分设计，是一种非常有潜力的可用于组织修复的生物材料，更是吸引了越来越多的关注。中国科学院上海硅酸盐研究所生物材料与组织工程课题组研究发现，生物活性玻璃可以制备成不同形式的生物材料用于各类组织修复中，如创伤敷料、骨组织支架等。今年新冠疫情爆发，该课题组开发的硅基创面修复材料，由合作公司向武汉华中科技大学附属同济医院、武汉第七医院等医院捐赠了2800盒, 用于治疗医护人员由于长时间戴防护手套、口罩引起的皮肤磨伤溃烂和湿疹，以及具有褥疮溃疡的老年新冠肺炎患者，取得了很好的效果。

图1 生物材料与组织工程课题组研发的硅基创面修复材料在雷神山医院得到使用

钙硅基生物活性玻璃不仅在生物组织修复/再生方面具有巨大的优势，还可以通过化学组分的设计和调控，获得新的治疗功能。光热烫伤在光热治疗中最为常见，在光热治疗中有效修复受损的烫伤组织是光热治疗中的要点之一。那何为光热治疗？何为光热烫伤？

光热疗法（PTT）作为一种新型高效的肿瘤治疗方法，受到广泛关注。PTT一般利用光热剂吸收光能，然后在肿瘤部位将光能转化为热能，通过热疗或者热烧蚀杀死癌细胞（温度在40-45℃热疗，温度 > 45℃时热烧蚀）。与传统治疗方式相比，它具有选择性高、侵袭力小、无全身效应、治疗效果显著等优点，成为目前癌症治疗研究的热点之一。在治疗肿瘤时，光热温度要在50℃以上才能达到治疗效果，但过高的温度会烫伤肿瘤周围的组织，温度过低又无法杀死肿瘤细胞。因此，尽可能地找到肿瘤最佳治疗温度，同时修复烫伤的肿瘤组织，就对治疗的材料提出了新的要求。

图2 光热疗法治疗肿瘤细胞（图片来自网络）

为了达到这个要求，多功能生物材料被提上日程。这种材料，首先要有光热性能，其次要有生物活性进而修复烫伤组织，最后还需要找到最佳的治疗肿瘤的温度，尽可能地减少组织烫伤。钙硅基生物活性玻璃因其优秀的生物活性被优先考虑。另一方面，近红外发光的稀土元素掺杂材料在发光生物分析、生物标记、荧光成像等方面具有独特的优势。且有研究发现一些荧光材料对温度敏感，可作为温度传感器，监测生物体内的温度。荧光测温的组织穿透较高、生物组织的自发荧光较小、光损伤较小。与其他测温方式相比，荧光测温具有高精度、高灵敏度、抗电磁干扰、稳定可靠等优点。在镧系稀土元素中，钕（Nd，电子构型[Xe]4f⁴6S²；Nd³⁺，电子构型[Xe]4f³）离子具有特殊的性能。Nd在808 nm近红外激光照射下，不仅可以释放出热能，还可以释放出红外荧光。基于此，通过将稀土Nd离子引入钙硅基生物活性玻璃中，将组织修复、光热治疗与温度监测相结合的设想有可能成为现实。