生物活性陶瓷因具有優(yōu)異的生物相容性及成骨活性而廣泛運(yùn)用于骨組織工程中。然而傳統(tǒng)的生物陶瓷支架往往需要經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)成型，不但消耗大量能量，同時(shí)其本征脆性極大限制了其應(yīng)用，特別是在顱骨、眶骨等薄壁不規(guī)則骨組織的修復(fù)中，支架植入后往往由于應(yīng)力等原因?qū)е缕扑閺亩绊懝窃偕ЧＲ虼耍苽涑鼍哂袃?yōu)異可加工性能和力學(xué)強(qiáng)度的柔性生物陶瓷支架是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。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(gòu)成的籠型網(wǎng)格狀宏觀結(jié)構(gòu)，而骨針纖維具有同心圓層狀微觀結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的多級(jí)結(jié)構(gòu)使得海綿骨架在高無(wú)機(jī)含量（>95%）下仍然保持優(yōu)異的柔韌性。
近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵團(tuán)隊(duì)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，實(shí)現(xiàn)將廢棄的天然生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為具有高附加值的生物醫(yī)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(zhǎng)出水合硅酸鈣，實(shí)現(xiàn)了生物活性層和基體之間的緊密結(jié)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(zhǎng)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(fù)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(yuǎn)高于傳統(tǒng)生物陶瓷和生物陶瓷基復(fù)合支架的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)特性。
細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，天然衍生的柔性生物陶瓷支架可以通過(guò)AMPK/ERK信號(hào)通路促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)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(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移、成管及成血管基因的表達(dá)。兔子顱骨缺損動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)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有望在顱骨、眶骨等薄壁不規(guī)則骨組織的修復(fù)中產(chǎn)生應(yīng)用前景，并為先進(jìn)生物陶瓷的制造拓展新思路。
相關(guān)研究成果以Naturally Derived Flexible Bioceramics: Biomass Recycling Approach and Advanced Function為題，發(fā)表在Matter上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等的支持。
