铋铁氧体增强多孔生物活性玻璃支架的骨组织工程应用：体外生物相容性、抗菌性能与电刺激协同作用

针对骨组织工程(BTE)中缺乏兼具力学强度与生物活性的智能支架这一难题，研究人员通过将多铁性材料铋铁氧体(BF)掺入生物活性玻璃(BAG)基质，开发出具有原位电刺激功能的多孔BAG-BF复合支架。该材料孔隙率达64-74%，压缩强度提升29-33%，在200 mT磁场(MF)下使MC3T3-E1细胞增殖率达185%，同时展现抗菌活性，为模拟天然骨压电特性、促进骨再生提供了创新解决方案。

　　

骨再生材料的突破：当生物玻璃遇见多铁性材料
骨骼具有惊人的自愈能力，但大段骨缺损仍需要人工支架的介入。传统骨组织工程(BTE)支架面临双重挑战：既要模拟天然骨的力学性能，又要复制其复杂的生物电环境。天然骨具有压电特性——日常活动产生的微小机械应力会转化为促进骨再生的电信号。如何让人工支架也具备这种"智能"特性？更棘手的是，支架还需满足多孔结构（促进细胞生长）、足够强度（承受生理负荷）和抗菌功能（预防感染）这三大需求。

为解决这一难题，印度科学研究所等机构的研究团队在《Heliyon》发表创新成果。他们巧妙地将多铁性材料铋铁氧体(BiFeO₃, BF)与生物活性玻璃(BAG)结合，开发出能产生原位电刺激的智能支架。BF的独特之处在于同时具有铁电性和磁性，在外加磁场下可增强电信号输出，模拟天然骨的生物电效应。

关键技术路线
研究采用泡沫复制法制备孔隙率64-74%的三维支架，通过XRD、FTIR和SEM进行材料表征。体外实验包含：SBF浸泡21天评估羟基磷灰石沉积（生物活性）；MC3T3-E1细胞培养结合MTT法检测增殖（0/200 mT磁场）；Kirby-Bauer法测试对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)的抑制；大鼠红细胞溶血实验评估血液相容性。

材料特性突破
3.1 材料表征
SEM显示BF颗粒均匀分散于BAG基质，EDX证实元素分布。XRD证实BF的晶体结构保留，而BAG保持非晶态。1.5 BAG-BF的维氏硬度达429±21 Hv，比纯BAG提高10%，接触角降低表明亲水性增强。

3.2 多孔支架性能
泡沫复制法成功制备孔径400-500μm的互通孔结构。1.5 BAG-BF孔隙率64±1.2%，虽略低于纯BAG(74%)，但压缩强度达1.87 MPa，较BAG提高33%。所有组别烧结后收缩率约50%。

3.4 体外生物活性
21天SBF浸泡后，各组表面均形成钙磷(Ca-P)沉积，EDX检测到磷灰石特征元素。BF的加入未影响BAG固有的生物活性，表明复合材料保持优异的骨结合潜力。

细胞与抗菌表现
3.5 细胞相互作用
200 mT磁场下，1.5 BAG-BF组第5天细胞增殖达185%，显著高于对照组。Live/Dead染色显示细胞形态正常，证实材料生物相容性。

3.6 抗菌性能
1.5 BAG-BF对S. aureus产生<2 cm抑菌圈，而0.5 BAG-BF无显著抗菌效果。微生物抑制实验显示1.5 BAG-BF组细菌存活率显著降低(p<0.001)。

3.7 血液相容性
溶血率测试显示1.5 BAG-BF组为4.83±0.123%，虽高于BAG(3.8%)，但远低于5%的安全阈值，满足临床应用要求。

智能支架的新范式
这项研究开创性地将多铁性材料BF与BAG结合，解决了传统支架无法同时满足力学、生物和电学需求的矛盾。特别值得注意的是，1.5 wt% BF的添加使支架在200 mT磁场下产生显著促细胞增殖效应（第5天达185%），这归因于BF的双重特性：既增强材料强度，又通过磁电耦合产生类似天然骨的生物电信号。

尽管存在轻度溶血率上升和有限抗菌活性等局限，BAG-BF支架展现的"结构-功能一体化"设计思路为智能骨修复材料指明新方向。未来通过优化BF分布或结合生长因子负载，有望开发出更接近天然骨特性的新一代支架。该成果不仅推动BTE发展，其磁电响应设计策略也可拓展至神经、软骨等其他电敏感组织的再生领域。

（注：作者包括S. Amitha Banu、Sk Hasanur Rahaman等，通讯作者为Vamsi Krishna Balla和Abhijit M. Pawde，研究受印度科学与工程研究委员会CRG/2020/001470项目资助）