羧基化碳纳米管@氮化硅纳米线支架诱导羟基磷灰石平面连接生长用于骨缺损修复的研究

针对羟基磷灰石(HA)机械强度不足的问题，研究人员通过构建氮化硅纳米线(SW)@羧基化碳纳米管(CCNT)网络支架，诱导HA以平面连接模式生长，形成类天然骨结构的SW@CCNT/HA复合材料。该材料拉伸强度提升237.75%，骨再生能力显著增强，为骨缺损修复提供了新型仿生策略。

　　

骨缺损修复一直是生物医学工程领域的重大挑战。天然骨组织中，羟基磷灰石(HA)作为主要无机成分，虽具有优异的生物相容性，但其脆性和低强度严重限制了临床应用。现有研究表明，HA的形态与结构对其力学性能至关重要——球形HA可提升复合材料压缩强度，纳米片状HA能增强弯曲性能，但如何实现类似天然骨的连续平面连接结构仍是未解难题。

针对这一瓶颈，西北工业大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表创新成果，通过构建氮化硅纳米线(Si₃N₄ nanowires, SW)@羧基化碳纳米管(carboxylated CNT, CCNT)三维网络支架，成功诱导HA以蜂窝状平面连接模式生长，制备出仿生骨复合材料SW@CCNT/HA。该材料不仅拉伸强度提升237.75%，骨矿化密度更提高65.43%，为骨修复材料设计提供了新范式。

研究采用化学气相沉积(CVD)法在SW表面原位生长碳纳米管(CNT)，经碱处理引入羧基(-COO^-)获得亲水性SW@CCNT，最后通过脉冲电化学沉积(PED)使HA在支架上定向生长。XPS和接触角测试证实羧基化显著提升材料亲水性，SEM显示HA形成独特的平面连接结构。

Experimental Section
研究通过三步法制备复合材料：首先采用聚合物热解法制备SW，通过CVD在其表面嫁接CNT；随后用碱处理引入-COOH基团；最后通过PED在模拟体液中沉积HA。采用SEM、XRD、力学测试等表征材料性能，并通过动物实验验证成骨效果。

Results and discussion
SEM显示SW@CNT形成纳米线@纳米管网络结构（图2a-b）。羧基化后材料亲水性显著提升，XPS证实-COO^-成功修饰（图2d）。HA在SW@CCNT上呈现蜂窝状平面连接生长，而SW@CNT/HA中HA仅以颗粒状分布。力学测试表明SW@CCNT/HA的弹性模量提升245.17%，界面结合强度增强。动物实验显示其骨体积分数较对照组提高8.26%。

Conclusions
该研究创新性地通过羧基化CNT网络诱导HA平面连接生长，解决了传统HA复合材料力学性能不足的难题。-COO^-基团不仅改善材料亲水性，更通过离子键/氢键增强HA界面结合。所获仿生结构使材料兼具优异力学性能和成骨活性，为骨缺损修复提供了新思路。

这项工作的突破性在于：首次实现HA在纳米支架上的平面连接生长，模拟了天然骨中胶原纤维/HA的组装方式；提出的羧基化界面修饰策略可推广至其他生物材料体系；开发的PED定向沉积技术为无机/有机复合材料制备提供了新方法。这些发现对组织工程支架设计具有重要指导意义。