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生物活性陶瓷因具有優異的生物相容性及成骨活性而廣泛運用于骨組織工程中。然而傳統的生物陶瓷支架往往需要經過高溫燒結成型，不但消耗大量能量，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，而骨針纖維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。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵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，實現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。
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，具有輕質高強的力學特性。
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有望在顱骨、眶骨等薄壁不規則骨組織的修復中產生應用前景，并為先進生物陶瓷的制造拓展新思路。
相關研究成果以Naturally Derived Flexible Bioceramics: Biomass Recycling Approach and Advanced Function為題，發表在Matter上。研究工作得到國家重點研發計劃、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的支持。
天然衍生的柔性生物陶瓷支架的制備示意圖 |
