當前位置：上海硅酸鹽所在柔性生物陶瓷研究中取得進(jìn)展
生物活性陶瓷具有優(yōu)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(jīng)過(guò)高溫燒結成型，不但消耗了大量能量，同時(shí)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(yōu)異可加工性能和力學(xué)強度的柔性生物陶瓷支架是一項挑戰。海洋中的海綿動(dòng)物——偕老同穴，具有由二氧化硅骨針纖維所構成的籠型網(wǎng)格狀宏觀(guān)結構，骨針纖維則是具有同心圓層狀微觀(guān)結構。這種獨特的多級結構使得海綿骨架在高無(wú)機含量（>95%）下仍然保持優(yōu)異的柔韌性。
針對這一挑戰，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領(lǐng)團隊提出生物質(zhì)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(shí)現了將廢棄的天然生物質(zhì)轉化為具有高附加值的生物醫用材料。
該研究通過(guò)將二氧化硅天然海綿骨架在氫氧化鈣溶液中進(jìn)行低溫水熱礦化處理，在二氧化硅基體表面原位生長(cháng)出水合硅酸鈣，實(shí)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(jīng)過(guò)活化處理后的生物陶瓷支架具有優(yōu)異的體外礦化能力和長(cháng)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(mǎn)足不同形狀薄壁骨組織的修復需求。在沒(méi)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(zhì)高強的力學(xué)特性。
細胞實(shí)驗表明，天然衍生的柔性生物陶瓷支架可以通過(guò)AMPK/ERK信號通路促進(jìn)骨髓間充質(zhì)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(jìn)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(dòng)物實(shí)驗結果進(jìn)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(zhì)再利用策略開(kāi)發(fā)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(jìn)生物陶瓷的制造拓展了新思路。
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(fā)明專(zhuān)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(guān)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩定支持基礎研究領(lǐng)域青年團隊計劃等基金的資助。
天然衍生的柔性生物陶瓷支架的制備示意圖。
天然衍生的生物陶瓷支架具有優(yōu)異的可加工性、柔韌性及輕質(zhì)高強的力學(xué)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(yōu)異的力學(xué)強度及柔性。（D）天然衍生的生物陶瓷支架的循環(huán)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(wú)機含量-斷裂功對比圖。（I）不同生物陶瓷的密度。
天然衍生的柔性生物陶瓷對兔子顱骨缺損實(shí)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(xué)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。
