中國粉體網訊 生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。生物陶瓷不僅具有不銹鋼、塑料等所具有的特性，而且具有親水性，能與細胞等生物組織表現出良好的親和性，在集體組織修復、替代以及再生的過程中具有非常重要的作用，因此生物陶瓷材料的研究已經成為我國生物醫學工程中的重要方向。生物陶瓷材料之前，在醫藥學領域應用最為廣泛的材料就是金屬材料和有機材料，但這兩種類型的材料都存在嚴重的缺點，金屬材料植入人體體內以后容易發生腐蝕，有機材料的強度較差，因此研究生物陶瓷材料具有重要應用價值。
其中，生物陶瓷在骨骼移植研究中占有重要地位。骨骼是一種復雜的生物礦化組織，由微納米尺度的有機（細胞、蛋白質）和無機（羥基磷灰石、碳酸鈣）材料組裝而成。理想的生物材料需要具有優良的骨傳導性與骨誘導性，能高效促進新生骨的形成。而生物材料植入體的表面與宿主細胞直接接觸，其物理化學特征是生物材料成功應用的關鍵因素之一。越來越多證據表明，材料表面的微納米形貌及其化學特征能有效調控細胞的成骨活性。然而，傳統的三維打印陶瓷支架的表面改性主要基于水熱法、有機模版法等化學方法，這種非生物調控的礦化過程不利于晶體尺寸與結晶度的控制，從而限制了其生物學效應的高效發揮。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領的研究團隊提出微生物催化活性礦物誘導成骨的思想，并利用微生物催化作用構建生物陶瓷支架表面微納米結構用于骨組織再生。
微生物催化活性礦物誘導成骨示意圖
研究團隊利用產脲酶菌（S.cohnii）的代謝作用在陶瓷材料表面誘導出均勻的生物礦化層。在這個過程中，微生物首先粘附在基底陶瓷表面，在脲酶和碳酸酐酶的催化下提升微環境中的pH與CO32-濃度。同時，細菌細胞壁表面的負電性基團吸附Ca2+，促進碳酸鈣顆粒的結核與生長。微生物在陶瓷材料表面構建的納米碳酸鈣礦物明顯抑制了硅酸鈣陶瓷的快速降解，并對骨髓間充質干細胞的粘附、鋪展、增殖、遷移和分化等細胞生物活性具有更好的促進作用。在皮下植入和大塊骨缺損修復動物實驗中，微生物催化的表面生物材料具有良好的生物相容性，表現出顯著的促骨組織再生的優良生物活性。微生物催化的生物活性材料用于骨組織再生是一種微生物與組織工程相結合的新方法，這種策略為生物醫學材料的制備提供了新思路。
微生物催化活性礦物形成在三維支架上誘導骨形成
吳成鐵研究員來自上海硅酸鹽研究所生物材料與組織工程研究中心生物材料與組織工程課題組，該研究組研究方向有組織修復再生和組織工程生物活性材料基礎與應用研究（包括生物玻璃、生物陶瓷、生物高分子材料、天然生物材料、生物復合材料、納米生物材料、多孔支架材料）、生物材料數字化智能制造與生物3D打印、兼具腫瘤治療等疾病治療功能的生物活性材料研究、細胞與生物材料相互作用及生物材料體內效應研究等。早在今年年初，吳成鐵研究員帶領的研究團隊就在多功能黑色生物活性陶瓷材料研究方面取得進展。當時他們通過對傳統的白色生物活性陶瓷材料（硅酸鹽和磷酸鹽等）進行熱還原處理，研制出新一代“黑色生物活性陶瓷”，將傳統生物活性陶瓷材料的應用領域從組織再生拓展到腫瘤等疾病治療。
參考來源：上海硅酸鹽研究所
（中國粉體網編輯整理/山川）
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