铋铁氧体增强多孔生物活性玻璃支架的体外与抗菌性能研究：骨组织工程新策略

本研究针对骨组织工程(BTE)中支架材料机械性能不足和生物活性有限的挑战，开发了铋铁氧体(BF)增强生物活性玻璃(BAG)复合支架。通过泡沫复制法制备的BAG-BF多孔支架(孔隙率64-74%)展现出显著提升的压缩强度(较纯BAG提高29-33%)，并在200 mT磁场(MF)刺激下使MC3T3-E1成骨细胞增殖率达185%。该材料兼具抗菌性(对金黄色葡萄球菌抑制率p<0.001)和生物相容性(溶血率<5%)，为兼具电刺激响应和结构仿生的智能骨修复材料开发提供新思路。

　　

骨修复材料的困境与突破
骨缺损修复始终是临床面临的重大挑战，传统骨移植存在供体有限、免疫排斥等问题。虽然组织工程(TE)通过细胞-支架-生长因子三要素为再生医学带来希望，但现有支架材料难以同时满足力学支撑、生物活性和功能仿生需求。自然骨组织的独特之处在于其压电特性——能在生理负荷下产生电信号促进骨重塑。如何模拟这种"智能"特性，成为印度兽医研究所与中央玻璃陶瓷研究所合作团队在《Heliyon》发表研究的核心出发点。

创新材料设计思路
研究团队创造性地将多铁性材料铋铁氧体(BiFeO₃, BF)与生物活性玻璃(57 wt% SiO₂的BAG)复合，开发出0.5-1.5 wt% BF掺杂的多孔支架。这种设计融合了BAG的成骨活性与BF的双重优势：一方面，BF的磁电耦合效应可在200 mT磁场(MF)下产生原位电刺激；另一方面，BF中铋元素的抗菌潜力可降低感染风险。通过泡沫复制法(40 ppi聚氨酯模板)制备的三维支架，其孔隙结构(400-500μm)模拟了天然骨小梁的拓扑特征。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法合成BF纳米粉体，通过XRD/FTIR验证相纯度；泡沫复制法制备的支架经650°C烧结后，通过SEM/EDX分析微观形貌；力学测试采用ISO标准压缩实验；体外评估包括：SBF浸泡21天检测羟基磷灰石沉积、MTT法测MC3T3-E1细胞增殖、Live/Dead染色观察细胞形态、Kirby-Bauer法测试抗菌性，以及大鼠红细胞溶血实验评价血液相容性。所有实验均设0/200 mT磁场对照组。

性能突破性发现
3.1 结构-功能协同优化
扫描电镜显示BF颗粒(图1A-B亮白色相)均匀分散于BAG基体，EDX证实其元素组成(图1C)。1.5 BAG-BF的压缩强度达1.87 MPa，较纯BAG提升33%，这归因于BF与基体的应力传递效应。值得注意的是，所有支架保持>64%孔隙率，满足骨长入需求。

3.4 动态生物活性响应
21天SBF浸泡后，各组表面均出现钙磷沉积(图6)，EDX显示Ca/P比接近天然羟基磷灰石。特别的是，200 mT磁场刺激使1.5 BAG-BF组的细胞增殖率在5天内激增至185%(图7F)，证实电-磁协同能加速成骨。

3.6 抗菌-生物相容平衡
1.5 BAG-BF对金黄色葡萄球菌的抑制圈达<2 cm(图8C)，但其溶血率仅4.83%(图9C)，表明在安全阈值内实现了功能优化。这种"杀菌不杀细胞"的特性使其优于传统银掺杂材料。

临床转化启示
该研究首次证明低剂量BF(≤1.5 wt%)掺杂可同时赋予支架三重功能：力学增强(1.87 MPa)、磁场响应性增殖(185%)和选择抗菌性。相较于FDA已批准的纯BAG产品，这种智能复合材料更贴近"骨仿生"理念——不仅提供静态支撑，还能通过非侵入式磁刺激激活内源性修复机制。未来可通过优化BF空间分布或结合脉冲磁场，进一步提升电刺激的时空精确性。

局限性与展望：当前研究仅完成体外验证，BF的长期体内代谢途径尚待明确；磁场参数(强度/频率)的优化需结合临床电磁治疗设备进行标准化。团队计划下一步建立兔骨缺损模型，评估支架在复杂生理环境中的骨整合效率。这项来自印度的跨学科合作，为开发下一代"电活性"骨修复材料奠定了重要基础。