用于骨组织再生的莫来石宏观球体的生物活性研究：一种兼具结构完整性与生物性能的骨移植替代材料

《Journal of Materials Research and Technology》：Biological activity of mullite macrospheres for bone tissue regeneration

本文推荐介绍研究人员针对开发兼具机械强度、生物相容性和互连孔隙率的可注射骨移植陶瓷替代材料的挑战，开展了Al2O3-SiO2体系莫来石(Al6Si2O13)宏观球体的研究。通过离子诱导凝胶浇注技术成功制备了三种不同化学计量的宏观球体，研究发现化学计量莫来石(3Al2O3·2SiO2)样品表现出最均衡的比表面积、显微硬度、耐磨性和抗压强度组合。体外实验证实材料无细胞毒性和溶血效应，并能支持成骨细胞粘附、增殖和碱性磷酸酶活性。该研究为骨科和牙科应用中的可注射或松散填充骨移植材料设计提供了新思路。

　　

在骨组织工程领域，开发理想的骨移植替代材料始终是一项重大挑战。理想的材料需要同时满足多种要求：良好的机械强度以承受生理负荷、优异的生物相容性以避免免疫排斥、适当的孔隙结构以促进营养运输和细胞迁移。目前，磷酸钙等生物活性陶瓷和氧化铝、氧化锆等生物惰性材料已被广泛研究，但这些材料在综合性能上仍存在局限。特别是对于可注射或松散填充型植入物，如何平衡机械性能与多孔结构成为关键科学问题。

莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂或Al₆Si₂O₁₃)作为一种铝硅酸盐陶瓷，因其良好的生物相容性、化学稳定性和适中的机械性能而备受关注。然而，其作为松散填充型骨移植材料的潜力尚未得到充分探索。传统骨移植材料往往难以同时实现高孔隙率与足够的机械强度，而宏观球体因其独特的球形结构和颗粒间的孔隙，能够形成有利于细胞生长和血管化的三维环境。

在这项发表于《Journal of Materials Research and Technology》的研究中，巴西圣保罗大学的研究团队开展了一项创新性研究，旨在开发用于骨组织再生的莫来石宏观球体。研究人员通过系统的材料设计、制备工艺优化以及全面的性能表征，为新型骨移植材料的发展提供了重要见解。

关键技术方法包括：采用离子诱导凝胶浇注技术制备Al₂O₃-SiO₂宏观球体，使用海藻酸钠作为粘结剂和胶体二氧化硅作为硅源；通过热重分析、示差扫描量热法和 dilatometric 分析研究热行为；利用汞孔隙度法、Archimedes 原理和氮吸附法表征孔隙结构；通过 X 射线衍射和傅里叶变换红外光谱分析物相组成；采用扫描电子显微镜和共聚焦激光扫描显微镜观察微观结构和细胞形态；通过维氏显微硬度、压缩强度和脆性测试评估机械性能；按照 ISO 10993 标准进行体外细胞毒性和溶血性评价；使用 MC3T3-E1 前成骨细胞评估细胞增殖和分化能力。

3.1. 物理化学特性

研究结果显示，所有样品均表现出高球形度和球间大孔隙率，有利于松散填充骨移植应用。化学计量莫来石宏观球体(3Al₂O₃·2SiO₂)表现出最均衡的比表面积、显微硬度、耐磨性和抗压强度组合。孔隙率分析表明，所有组分均具有低球内孔隙率(>20%)，但球间孔隙率可达40%，这种开放的孔隙网络有利于流体运输和营养扩散。氮吸附-脱附等温线显示样品具有典型的II型曲线，表明其具有大孔结构。热分析表明，在1500°C热处理后样品中形成了莫来石、方石英和残余氧化铝等生物相容性良好的晶相。

3.2. 形态学特性

粒径分布和球形度分析显示，样品具有较窄的粒径分布和接近完美的球形度(圆形度约0.90，球度0.97-0.99)。这种高球形度改善了填充性能，在球体之间形成互连的大孔隙结构，有利于营养物质传输和细胞在植入物内的生长。不同化学组成的样品在平均直径上存在差异，其中化学计量莫来石样品(3A2S)与其他组分有显著差异，这可能与高温下莫来石和方石英相的形成差异有关。

3.3. 机械性能表征

机械性能测试表明，所有样品在30MPa压力下均保持完整的结构完整性，质量损失为零。随着应力增加，质量损失逐渐增加，在120MPa时达到70%。维氏硬度测试显示所有Al₂O₃-SiO₂生物陶瓷球的硬度约为10GPa，其中化学计量莫来石样品(3A2S)硬度最高。脆性测试中所有样品的质量损失均低于1%，表明材料具有良好的耐磨性。这些机械性能满足松质骨(约20MPa)和部分皮质骨(约150MPa)的应用要求，确保球体在生理负荷下能保持结构完整性。

3.4. 体外细胞相容性

细胞相容性评价显示，所有实验条件下细胞存活率均超过90%，符合ISO 10993-5标准对无细胞毒性的要求(>70%)。Live/Dead染色显示所有实验组均以活细胞为主，细胞密度随培养时间增加而增加，表明材料不影响细胞生长。与阴性对照相比，样品无统计学差异，证明材料不抑制细胞活性。这些结果证实制作的宏观球体具有良好的生物相容性，适用于骨组织工程。

3.5. 血液相容性

血液相容性评估显示，所有实验条件的溶血活性均极低(<0.1%)，与阴性对照无统计学差异。根据ASTM F756:2017标准，材料溶血率低于5%即被认为无溶血性，因此Al₂O₃-SiO₂宏观球体可归类为血液相容性材料，适用于涉及直接血液接触的应用场景。

3.6. 体外增殖

细胞增殖实验表明，培养3天后，所有陶瓷样品上的细胞增殖均低于对照组，但差异不显著。到第7天，所有组的代谢活性均大幅增加，表明细胞增殖不受影响。共聚焦显微镜观察显示细胞粘附在球体的整个表面，球体接触区域的细胞密度更高，表明组织再生主要发生在球体间的孔隙处。扫描电镜观察发现，培养后所有样品表面均出现细胞附着和细胞外基质形成，其中3A3S表面被密集的细胞层广泛覆盖，表明细胞增殖活跃。

研究结论表明，通过离子诱导凝胶浇注技术成功制备的Al₂O₃-SiO₂陶瓷宏观球体具有适合骨组织再生的综合性能。化学计量莫来石样品(3Al₂O₃·2SiO₂)在机械强度、比表面积和生物相容性方面表现出最均衡的性能组合。材料中硅醇基团(Si-OH)的存在可诱导生物活性表面的形成，促进与天然骨组织的直接整合。所有组成均表现出良好的细胞相容性和血液相容性，能够支持细胞粘附、增殖和分化。这些特性使得Al₂O₃-SiO₂宏观球体成为骨科和牙科应用中可注射或颗粒状骨缺损修复材料的有前途的候选材料。

该研究的重要意义在于为骨移植替代材料的设计提供了新思路，解决了传统材料在机械性能与多孔结构之间的平衡难题。通过合理的材料设计和工艺优化，成功开发出兼具良好机械性能和生物活性的莫来石宏观球体，为复杂几何形状骨缺损的修复提供了新的解决方案。未来研究可进一步探索材料在体内的长期性能和骨整合能力，推动其向临床应用转化。