中國粉體網訊 生物活性陶瓷具有優異的生物相容性及成骨活性因而廣泛運用于骨組織工程中。然而傳統的生物陶瓷支架往往需要經過高溫燒結成型，不但消耗了大量能量，同時其本征脆性極大限制了其應用。特別是在顱骨、眶骨等薄壁不規則骨組織的修復中，支架植入后往往由于應力等原因導致破碎從而影響骨再生效果。因此，制備出具有優異可加工性能和力學強度的柔性生物陶瓷支架是一項挑戰。海洋中的海綿動物——偕老同穴，具有由二氧化硅骨針纖維所構成的籠型網格狀宏觀結構，骨針纖維則是具有同心圓層狀微觀結構。這種獨特的多級結構使得海綿骨架在高無機含量（>95%）下仍然保持優異的柔韌性。
針對這一挑戰，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領團隊提出生物質再利用的策略，制備出天然海綿骨架衍生的柔性生物活性陶瓷，成功實現了將廢棄的天然生物質轉化為具有高附加值的生物醫用材料。
天然衍生的柔性生物陶瓷支架的制備示意圖
該研究通過將二氧化硅天然海綿骨架在氫氧化鈣溶液中進行低溫水熱礦化處理，在二氧化硅基體表面原位生長出水合硅酸鈣，實現了生物活性層和基體之間的緊密結合，最終獲得了天然衍生的生物陶瓷支架。經過活化處理后的生物陶瓷支架具有優異的體外礦化能力和長效的鈣、硅離子釋放能力。更重要的是，天然衍生的生物陶瓷支架保留了原始海綿骨架的柔韌性和回彈性，可以任意切割、裁剪為特定形狀，具有理想的加工性能，能夠滿足不同形狀薄壁骨組織的修復需求。在沒有引入高分子組分的情況下，天然衍生的柔性生物陶瓷具有遠高于傳統生物陶瓷和生物陶瓷基復合支架的抗彎強度和斷裂韌性，具有明顯的輕質高強的力學特性。
天然衍生的生物陶瓷支架具有優異的可加工性、柔韌性及輕質高強的力學特性。（A）天然衍生的生物陶瓷可以任意剪切，加工為任意形狀。（B，C）天然衍生的生物陶瓷支架具有優異的力學強度及柔性。（D）天然衍生的生物陶瓷支架的循環壓縮性能。（E，F）抗彎強度及斷裂功。（G）孔隙率-抗彎強度對比圖。（H）無機含量-斷裂功對比圖。（I）不同生物陶瓷的密度。
細胞實驗表明，天然衍生的柔性生物陶瓷支架可以通過AMPK/ERK信號通路促進骨髓間充質干細胞的成骨分化；其釋放的生物活性鈣、硅離子可以有效促進內皮細胞的增殖、遷移、成管及成血管基因的表達。兔子顱骨缺損動物實驗結果進一步表明，天然衍生的柔性生物陶瓷支架可以支持血管生成及骨再生。這種基于生物質再利用策略開發的柔性生物活性陶瓷支架在顱骨、眶骨等薄壁不規則骨組織的修復中具有良好的應用前景，也為先進生物陶瓷的制造拓展了新思路。
天然衍生的柔性生物陶瓷對兔子顱骨缺損實現高效血管化骨再生。（A）顱骨缺損模型構建。（B）顱骨組織的光學照片。（C）Micro-CT重構。（D，E）組織切片的HE及Masson染色。（F）OPN及CD31免疫熒光染色。（G-J）免疫熒光染色熒光強度定量統計。
該研究成果以“Naturally Derived Flexible Bioceramics: Biomass Recycling Approach and Advanced Function” 被Cell 旗下的Matter期刊接收（MATTER-D-23-01055R），并申請發明專利一項。論文的第一作者為上海硅酸鹽所2019級碩博連讀生楊之波和薛健民助理研究員，通訊作者為吳成鐵研究員。相關研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等基金的資助。
（中國粉體網編輯整理/空青）
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