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)過高溫燒結(jié)成型，不但消耗大量能量，同時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Ч?。因此，制備出具有?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(zhàn)。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(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)。這種獨特的多級結(jié)構(gòu)使得海綿骨架在高無機含量(>95%)下仍然保持優(yōu)異的柔韌性。
 

　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵團隊提出生物質(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，實現(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。
 

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(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(tǒng)生物陶瓷和生物陶瓷基復(fù)合支架的抗彎強度和斷裂韌性，具有輕質(zhì)高強的力學(xué)特性。
 

　　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(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內(nèi)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(jié)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(zhì)再利用策略開發(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。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃等的支持。