ZrO2掺杂硼磷酸盐玻璃的生物活性与机械性能协同调控机制及其骨修复应用研究

【编辑推荐】本研究针对硼酸盐玻璃降解过快、机械性能不足的瓶颈问题，通过熔融淬火法合成ZrO2掺杂硼磷酸盐玻璃（ZBP），系统评估其生物活性、机械性能及细胞相容性。结果表明：ZrO2的引入使压缩强度提升至172.8 MPa，但会降低羟基磷灰石（HA）形成能力，为骨修复材料"强度-活性"平衡设计提供新思路。

　　

骨骼疾病治疗领域长期面临传统生物材料"惰性界面"的难题，第二代生物活性玻璃虽能通过形成羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）层实现骨整合，但硅酸盐基材料降解缓慢，而硼酸盐玻璃又因过快的溶解速率和脆弱的机械性能难以满足承重需求。这种"活性与强度不可兼得"的矛盾，成为制约骨修复材料发展的关键瓶颈。

国立理工学院Warangal分校的研究团队创新性地将生物惰性但具有卓越机械性能的ZrO₂引入硼磷酸盐玻璃体系（40 B₂O₃-15 P₂O₅-20 CaO-(25-x) Li₂O-x ZrO₂），通过熔融淬火技术制备系列材料，系统研究其结构-性能关系。研究发现：当ZrO₂含量达2 mol%时，压缩强度显著提升至172.8 MPa，但体外模拟体液（SBF）中HA形成能力降低，揭示出"机械增强-活性抑制"的权衡效应。这项发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》的工作，为设计兼具力学支撑和生物响应的骨修复材料提供了重要理论依据。

关键技术方法
研究采用熔融淬火法制备ZrO₂掺杂玻璃，通过场发射扫描电镜（FESEM）观察HA形貌，X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析晶体结构变化，微维氏硬度仪测试机械性能，MTT法评估MG-63细胞毒性。生物活性测试采用国际标准模拟体液浸泡实验，磨损性能通过销-盘摩擦试验量化。

研究结果

1. 生物活性演变规律
FESEM显示所有样品在SBF中均能形成特征性片状HA层，但随ZrO₂含量增加，XRD中HA特征峰强度减弱，FTIR证实[PO₄]^3-振动峰减少，表明Zr⁴⁺通过占据网络形成位点抑制离子交换过程。pH监测显示ZrO₂含量越高，溶液碱化程度越低（pH 7.4→8.2），与重量损失率下降趋势一致。

2. 机械性能突破
ZrO₂的桥联作用使玻璃网络致密化，ZBP-1样品（1 mol% ZrO₂）展现最优结构稳定性：摩尔体积最低（26.89 cm³/mol），过量体积负值最大（-0.46 cm³/mol）。机械测试显示硬度提升53%（4.36→5.7 GPa），磨损率降低40%，证实ZrO₂可有效增强玻璃抵抗塑性变形能力。

3. 生物相容性验证
MTT实验证实即使在高浓度（200 μg/mL）下，MG-63细胞存活率仍>90%，远高于临床安全阈值。值得注意的是，虽然ZrO₂抑制HA形成，但未引发细胞毒性，这种"活性降低但安全性不变"的特性为临床安全窗口的拓展提供可能。

结论与展望
该研究首次阐明ZrO₂在硼磷酸盐玻璃中"机械增强剂-生物活性调节剂"的双重角色。通过精确控制ZrO₂掺杂量（建议0.5-1.5 mol%），可实现62.97-172.8 MPa压缩强度范围内的性能定制。这种可调控的特性使其既能用于非承重区快速骨再生，也可通过成分梯度设计应用于牙种植体等需要力学支撑的场景。未来研究可结合表面改性技术，在保持本体强度的同时通过表面功能化恢复生物活性，推动"智能响应型"骨修复材料的临床转化。