通过机器人铸造技术制备的低温烧结掺硼S53P4生物活性玻璃支架

《Journal of the American Ceramic Society》：Low-temperature sintered boron-doped S53P4 bioactive glass scaffolds fabricated by robocasting

骨再生策略中硼掺杂S53P4生物活性玻璃支架的机械性能与抗菌活性研究。采用robocasting技术制备S53P4和S53P4_10B玻璃支架，对比分析发现B掺杂显著提升抗菌活性（抑菌圈直径达3.1mm），同时保持骨传导性（孔隙率71%，抗压强度1.5-3.3MPa）。通过XRD和FTIR证实B掺杂促进HA相形成，抑制结晶化（ΔT提升19%），且在615℃烧结时仍保持82%的机械性能。细胞实验显示≤1%浓度提取物对MG-63和ST-2细胞无毒，但高浓度硼释放导致细胞活性下降。研究为骨缺损修复提供兼具结构强度与生物功能的硼掺杂玻璃支架方案。

　　### 一、引言

在医学领域，骨组织的再生一直是研究人员关注的重点。当骨缺损的宽度超过临界阈值（通常为1–2厘米）时，自然愈合机制难以修复，因此需要借助骨移植材料进行治疗。传统的骨移植方法包括自体移植、异体移植和合成生物相容性材料，其中自体移植虽然具有良好的生物相容性，但其应用受到供体组织来源有限、手术复杂性高和可能引发的并发症（如感染、疼痛和供体部位损伤）的限制。异体移植则因成本高和免疫排斥风险而难以广泛应用。为了解决这些问题，近年来，研究人员开始关注组织工程（TE）技术，尤其是具有三维多孔结构的合成支架材料。这类材料能够模仿骨组织的细胞外基质（ECM）功能，提供细胞附着、迁移和分化的理想环境，从而促进组织的修复与再生。

组织工程支架不仅需要具备良好的生物相容性，还需满足机械性能的要求，以确保其在体内能够承受一定的载荷并维持结构完整性。传统的支架制备方法，如泡沫复制、粒子沥滤和冻干技术，虽然可以实现高孔隙率（通常超过80%），但往往难以达到理想的机械强度。因此，需要寻找一种能够兼顾机械性能与生物活性的新型支架材料。在众多生物活性玻璃（BG）中，S53P4 BG因其优异的生物活性、可降解性和促血管生成能力而备受关注。近年来，研究人员尝试通过掺杂其他元素（如硼）来进一步优化其性能，以提升其在骨组织工程中的应用潜力。

### 二、材料与方法

本研究采用一种基于3D打印技术（robocasting）的新型S53P4 BG支架制备方法，其中掺杂了10 wt.%的硼（S53P4_10B）。首先，S53P4 BG的制备采用传统的熔融急冷法，通过精确控制原材料的配比（包括二氧化硅、氧化钠、氧化钙、五氧化二磷和三氧化二硼）来获得目标组成。随后，通过球磨机将玻璃粉末进行研磨，确保其粒径分布均匀。为了便于打印，玻璃粉末被分散在10 wt.%的明胶溶液中，形成具有适宜流变特性的墨水。墨水在特定的打印条件下通过逐层沉积形成三维网格状结构，最终通过高温烧结（S53P4为900°C，S53P4_10B为615°C）实现结构致密化。

在评估支架的生物活性时，研究团队将其浸泡在模拟体液（SBF）中，通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）等手段分析其表面形成的钙-磷酸盐层。此外，通过体外细胞毒性实验和抗菌测试，进一步评估支架的生物相容性。细胞毒性实验使用MG-63（成骨肉瘤细胞）和ST-2（成纤维细胞）作为模型细胞，以检测支架提取物对细胞存活率的影响。抗菌实验则采用琼脂扩散法，对两种支架分别测试其对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制效果。

### 三、结果与讨论

#### 1. 玻璃粉末的结构特性

通过XRD和FTIR分析，研究人员确认了S53P4和S53P4_10B玻璃粉末的非晶态结构。S53P4玻璃在2θ 25°–40°范围内显示出宽泛的非晶态峰，而S53P4_10B玻璃则表现出一定的晶化倾向，但在实验条件下仍能保持良好的生物活性。FTIR光谱显示，S53P4_10B玻璃在1417 cm?1和1197 cm?1处出现了新的振动峰，这些峰可能与硼氧键（B─O）有关。此外，S53P4_10B玻璃的Si─O─Si振动峰强度有所减弱，表明硼的掺杂改变了玻璃的网络结构。这一变化不仅影响了玻璃的热性能，还可能对支架的机械性能产生一定影响。

#### 2. 支架的物理与机械性能

S53P4和S53P4_10B支架在烧结后表现出较高的孔隙率（约71%），并且其孔径分布范围较广，分别达到了584 ± 7 μm和608 ± 25 μm。这种孔隙结构有助于细胞的附着与迁移，同时促进了营养物质的扩散。然而，由于烧结温度的不同，两种支架的线性收缩率和体积收缩率也存在差异。S53P4_10B支架的体积收缩率略高于S53P4支架（36% vs. 33%），但这种差异并不显著（p > 0.05）。值得注意的是，S53P4_10B支架在烧结过程中表现出更低的机械强度（1.5 ± 0.4 MPa），这可能与其较低的烧结温度有关。为了保持其非晶态结构，S53P4_10B支架被烧结在接近其晶化起始温度（T?）的较低温度下，这在一定程度上限制了其机械性能的提升。相比之下，S53P4支架在较高的烧结温度下形成了较多的晶体结构，如combeite晶体，这可能对生物活性产生一定抑制作用。

#### 3. 生物活性分析

通过将支架浸泡在模拟体液中，研究人员观察到两种支架均形成了钙-磷酸盐层。其中，S53P4_10B支架在14天内完全覆盖了表面，显示出更高的生物活性。此外，XRD和FTIR分析进一步确认了这一现象，表明随着浸泡时间的延长，支架表面的钙-磷酸盐层逐渐形成，并可能影响其与周围组织的结合能力。值得注意的是，尽管S53P4支架在烧结过程中形成了较多的combeite晶体，但这些晶体的溶解过程可能加速了钙和磷酸盐的释放，从而促进了生物活性的提升。因此，S53P4_10B支架在烧结过程中保留了更多的非晶态结构，这有助于其在体内形成稳定的生物活性层。

#### 4. 抗菌性能评估

在抗菌测试中，S53P4_10B支架表现出显著的抗菌活性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制区域（ZOI）明显大于S53P4支架。这一结果可能与硼的掺杂有关，因为硼的引入会加速玻璃的溶解，从而释放更多的碱性离子（如Na?和Ca2?），这些离子能够改变局部环境的pH值，创造不利于细菌生长的条件。此外，S53P4_10B支架还可能通过释放硼离子（B3?）来抑制细菌的代谢活动。相比之下，S53P4支架由于晶化程度较高，其抗菌性能受到一定限制。因此，硼掺杂不仅提升了支架的抗菌能力，还可能在一定程度上改善其生物活性。

#### 5. 细胞毒性实验

在细胞毒性测试中，S53P4和S53P4_10B支架提取物在浓度≤1%（w/v）时对MG-63和ST-2细胞均表现出良好的细胞相容性。然而，当浓度达到10%（w/v）时，S53P4_10B支架对MG-63细胞的毒性效应显著增强，其细胞存活率仅为53.1%，而S53P4支架则维持在74.7%。这一差异可能与硼的释放速率有关，因为高浓度的硼离子可能对细胞产生一定的毒性作用。相比之下，S53P4支架在10%浓度下仍能保持较高的细胞存活率，表明其对细胞的毒性较低。此外，ST-2细胞在两种支架提取物中的细胞存活率均约为30%，表明其对成纤维细胞的毒性效应更为明显。

### 四、结论

本研究成功制备了通过robocasting技术形成的S53P4和S53P4_10B生物活性玻璃支架，并对其机械性能、生物活性和抗菌效果进行了系统评估。结果表明，硼掺杂不仅提升了支架的抗菌性能，还通过加速玻璃的溶解，促进了钙-磷酸盐层的形成，从而增强了其生物活性。然而，由于烧结温度的调整，S53P4_10B支架的机械强度略低于S53P4支架，这可能与其较低的烧结温度有关。此外，高浓度的支架提取物对MG-63细胞的毒性效应显著，表明在实际应用中需要控制其浓度以确保细胞的存活。因此，未来的研究可以进一步优化硼的掺杂比例，探索其与其他治疗离子的协同作用，以提升支架的综合性能。同时，还可以通过调整支架的设计和烧结条件，进一步增强其机械强度，使其更适用于复杂的骨组织再生场景。