硅
翟万银
①人类生活在地球上，免不了要与硅为伍。硅是地壳中丰度位居第二的化学元素，主要以二氧化硅和硅酸盐形式存在，广泛分布于山石、土壤、海洋和空气之中。硅是计算机和手机芯片的基础，是现代信息技术的基础，支撑了人类互联互通的现代生活。那人类与硅为伍的生活中，身体健康是否也得益于硅呢？
②硅对某些动植物的生存特别重要，缺少硅则不能维持DNA的合成、正常代谢和细胞增殖生长。健康的人体几乎所有组织都含有数量不等的硅，其中大量的硅以单硅酸根离子（H3SiO4-）的形式存在，它们对维持人体正常代谢和健康起着重要作用。
③硅（主要是单硅酸）可以说是人体的一种营养成分，可以伴随食物在肠道内消化吸收。硅常与硫酸软骨素、胶原蛋白结合。科学家发现，人体的硅含量随着年龄的增长而逐渐下降。这说明，硅与人体细胞的结构、功能、代谢与衰老存在联系，并可能发挥重要作用。
④20世纪60年代后期，英国科学家伊迪丝·卡莱尔首先发现，硅在骨骼外层的含量远高于骨质层，她由此推测在骨骼的生长发育中硅是必不可少的。后来，她用鸡的生长实验证实，硅是人体的必需微量元素。卡莱尔的论文发表后不久，美国材料学家莱里·亨奇把玻璃中的硅含量调得特别高（比例达到45.5%），发现这种玻璃粉能缓慢溶解于水，所释放的含单硅酸根离子的产物可以促进骨骼细胞增殖，促进受损的骨骼迅速修复。他把自己发明的玻璃称为45S5生物玻璃，开创了修复人体的第三代生物材料。进一步研究发现，这种生物玻璃不仅促进骨骼细胞增殖，而且能上调与骨骼生长相关的基因表达。现在国内各大医院骨科所用的骨骼修复材料，很多都采用了含硅的材料。21世纪初，亨奇的实验室和笔者所在的实验室都推测，45S5生物玻璃不仅能修复骨骼等人体硬组织，而且还能促进皮肤、肌肉等软组织修复，并可能促进伤口愈合和治疗晚期糖尿病患者腿部的腐烂，但并没有专门的实验对此加以证实。
⑤2008年5月12日我国四川部分地区发生特大地震，大批伤员需要救治。第四军医大学附属西京医院骨科主任王榛教授用我们实验室生产的含硅生物玻璃粉，挽救了4名被倒塌房屋埋压超过100小时、本需要截肢的伤员的胳膊或大腿。当时谁也不知道为何会出现如此神奇的效果。虽然先后有实验证实，含硅的材料能促进软组织的细胞增殖，但都没有触及修复伤口的根本机理。
⑥一年后，笔者到位于日本筑波科学城的国立物质科学研究所做访问学者，利用该所的研究条件，终于揭开了这一秘密。原来硅（单硅酸根离子）能促进伤口生成新血管。硅离子促进伤口处的活细胞发出新血管生成的信号，然后信号逐级传导、起作用：促进血管内皮细胞的增殖——促进与新血管生成相关的细胞因子受体的基因表达——促进内皮型一氧化氮（NO）合成酶基因表达——合成一氧化氮——形成新血管。体外人体细胞实验和兔体内骨缺损修复实验都证实硅（单硅酸根离子）能促进新血管生成，同时揭示了新血管生成的机理。伤口有新血管生成，就可以获得氧气、营养和肌体修复所需各种蛋白因子，当然促进了伤口的修复。这一发现为探索硅酸盐材料的优化设计与临床应用、相关营养与医药开发等提供了新的理论指导。
⑦然而，硅肺病的罪魁祸首也是硅。工人长期在灰尘很多的环境中工作时，肺部吸入大量的二氧化硅（SiO2）颗粒。含硅颗粒引起肺部弹性下降，逐渐硬化，使患者难以呼吸。
⑧人类从诞生之日起就与硅相伴，深深得益于雨水冲刷岩石而产生的溶解性硅（单硅酸根离子）对人体的保护作用；另一方面，人们也要关注恶劣环境中含硅尘埃对人体的危害。人与自然相依相伴，保护好自然，保护好环境，归根结底就是保护我们自己。
（选自《科学画报》2020年10月16日微信公众号，有删改）
