陶瓷能否超越结构支撑？活性分子驱动的多功能生物医学陶瓷及其转化前景

《Ceramics》：Can Ceramics Deliver More than Structural Support? Active Molecules and the Future of Biomedical Applications

　　

陶瓷因化学稳定性、耐磨性、机械强度及与矿化组织的相容性，长期在牙科、骨科和组织修复中占据核心地位。其历史发展涵盖用于组织长入的生物惰性、可吸收、生物活性和多孔材料。然而，当代挑战已不再局限于制备惰性或具机械性能的替代物。这一演进提出核心问题：陶瓷能否提供超越结构支撑的功能？近期进展表明，陶瓷材料可被工程化以与生物环境发生建设性相互作用、影响局部分子事件并携带或释放治疗剂。生物相互作用的可能性扩展了陶瓷材料的作用。羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）、磷酸钙（calcium phosphates, CaPs）、氧化锆（zirconia）、金属氧化物（metal oxides）、层状双氢氧化物（layered double hydroxides, LDHs）和金属有机框架（metal–organic frameworks, MOFs）现可作为增强相、骨传导表面、治疗剂储库、抗菌组分或刺激响应载体。此外，21世纪初研究显示陶瓷可宿主并释放药物分子，有助于将其确立为替代药物递送平台，而不仅是结构支撑材料。当与聚合物、金属纳米颗粒、天然活性物质、抗生素、镇痛药或抗炎药结合时，这些材料成为多功能系统，其性能取决于组成、结构、加工、释放行为与生物响应之间的关系。专刊“Ceramics Containing Active Molecules for Biomedical Applications”的主要目标是通过涵盖基础材料合成与理化表征、临床导向综述、多功能氧化物纳米复合物绿色合成、牙科界面、MOFs、LDHs、药物释放膜、生物陶瓷支架和氧化锆基骨组织工程等主题，促进这一融合。尽管各系统在化学和预期用途上不同，但共享一个共同目标：通过有意组织陶瓷结构和活性分子来控制生物功能。本社论旨在总结专刊主要贡献、识别转化差距，并概述将多功能陶瓷系统转化为安全、可扩展且具临床意义的生物医学技术的优先事项。

研究背景与问题：陶瓷因化学稳定性、耐磨性、机械强度及与矿化组织相容性，长期用于牙科、骨科和组织修复，历史涵盖生物惰性、可吸收、生物活性和多孔材料。当代问题已从制备惰性或机械合格替代物，转向陶瓷能否超越结构支撑、与生物环境建设性互动、影响局部分子事件并携带或释放治疗剂。HA、CaPs、氧化锆（zirconia, ZrO₂）、金属氧化物、LDHs、MOFs可作增强相、骨传导表面、治疗剂储库、抗菌组分或刺激响应载体；与聚合物、金属纳米颗粒、天然活性物质、抗生素、镇痛药、抗炎药结合后成为多功能系统，其性能取决于组成、结构、加工、释放行为与生物响应关系。专刊旨在促进材料合成表征、临床综述、绿色合成、牙科界面、MOFs/LDHs、药物释放膜、生物陶瓷支架和氧化锆骨组织工程等融合，总结贡献、识别转化差距和优先事项。其意义在于将多功能陶瓷转为安全、可扩展、临床有意义的技术。

方法概括（≤250字）：研究人员采用植物水提物辅助共沉淀合成ZnO–Ag与CaO/NiO纳米复合物并评价结构、光学、光催化、抗菌、抗氧化和酶抑制性能；以计算机辅助设计/计算机辅助制造（computer-aided design/computer-aided manufacturing, CAD/CAM）二硅酸锂陶瓷经氯己定或Salvadora persica提取物预处理后与牙本质粘接，热机械循环后评价粘接强度与纳米渗漏；制备壳聚糖-HA载克林霉素磷酸酯膜及HA/酮洛芬-Fe/Ni磁性纳米颗粒/醋酸纤维素膜，评价润湿性、释放和生物矿化；以ZIF-8原位包封橙皮苷并结合析因设计；将LDH插层布洛芬与电纺聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纤维垫结合；Sun等对乳突填塞临床研究作系统综述；Pedro Faia与Evando Araújo等对ZrO₂纳米颗粒骨组织工程作综述。临床证据来自系统综述纳入的临床研究文献。

研究结果：植物辅助合成与绿色制备方面，López-López et al.以Tagetes erecta水提物共沉淀合成ZnO–Ag纳米复合物，考察银浓度对结构、光学、光催化及抗菌性能影响，获得结晶混合纳米结构，对革兰阳性/阴性菌有活性并支持光催化降解；Priyadharshini et al.以Citrus limonium果提取物稳定合成CaO/NiO纳米复合物，较单一氧化物增强抗菌、抗氧化和酶抑制活性，与抗糖尿病评价相关，并提示绿色合成需化学标准化、批次重现性、残留物归因、放大与毒理评估。

牙科粘接与植入相关膜界面方面，Almudahi et al.研究CAD/CAM二硅酸锂陶瓷经氯己定或Salvadora persica提取物预处理后与牙本质粘接，热机械循环后氯己定组粘接强度最有利，Salvadora persica未显著改善粘接强度和纳米渗漏，说明生物衍生改性剂需在老化与机械挑战下证明功能；Voicu et al.制备含克林霉素磷酸酯的壳聚糖-HA膜，结合HA骨传导、抗生素递送和壳聚糖成膜性，较纯壳聚糖改善润湿性、释放和体外生物矿化，支持组织整合与局部抗菌；Oprea et al.将HA和酮洛芬功能化Fe/Ni磁性纳米颗粒加入醋酸纤维素膜，促进磷酸钙沉积并控释酮洛芬，将矿化与局部抗炎联系，含陶瓷膜由被动屏障转向局部治疗界面，后续需评价细胞反应、功效、降解产物、磁性颗粒安全性和临床植入条件性能。

无机结构载药与控释方面，Sá et al.合成ZIF-8原位包封橙皮苷，以析因设计研究载药变量；酸性条件下框架降解使释放更快更明显，支持胃靶向递送潜力，并强调连接合成变量与载药效率、结构和pH依赖释放。Tran et al.将布洛芬插层LDH与电纺PMMA纤维垫结合，较聚合物-药物对照释放更多布洛芬，体现层状陶瓷样相分子储存与电纺膜装置级组织；多尺度结构可调宿主组成、层间化学、颗粒分散、纤维直径、孔隙率及聚合物-药物相互作用。与前述膜研究共同表明控释由解吸、离子交换、框架溶解、聚合物溶胀、扩散和基质降解等耦合过程决定，未来需区分机制、报告质量平衡和释放分子活性，并在动态介质中测试。

临床生物陶瓷与氧化锆纳米设计方面，Sun et al.系统综述乳突切除术后乳突填塞中生物陶瓷应用，HA、磷酸三钙和生物活性玻璃（bioactive glass）通常填塞成功率高；生物活性玻璃S53P4与低感染率和良好上皮化相关，部分早期HA骨水泥配方与需翻修并发症相关；文献在材料、技术、定义和随访上异质。Pedro Faia和Evando Araújo等综述ZrO₂纳米颗粒骨组织工程，连接晶相、相变增韧、表面化学、合成、分散与机械/生物相互作用，强调ZrO₂不仅为结构陶瓷，也是支架、骨水泥、涂层、药物递送和抗菌平台纳米组分；材料形式不可互换，致密ZrO₂生物惰性需生物活性相或表面处理补充。

转化差距与优先事项方面，原文提出：精确报告粒径、分布、团聚、晶相、掺杂、表面化学、孔隙率、药物位置和可释放分数；生物测试标准化并关联预期用途，使用相关细胞、菌株、耐药表型、炎症、机械负荷、流体和暴露时间及对照区分载体、活性分子、聚合物和降解产物；安全性采用与材料形式匹配的暴露指标，量化释放/脱落、生物分布、免疫炎症、遗传毒性、降解和长期存留，区分给药剂量与生物可利用剂量；制造和监管早期介入，控制可重复合成、灭菌、货架期、残留溶剂、尺度变化和质控，用设计实验（design of experiments, DoE）等定义稳健操作窗口；开展与临床材料或成熟递送技术的比较，定义目标产品概况（target product profile, TPP）。讨论强调陶瓷可同时作为结构组件、界面改性剂、分子储库和生物活性相，但需将多功能性能转为明确治疗价值，依赖可重复材料、机制性释放研究、真实生物模型、长期安全评估、比较证据和可扩展制造。

结论部分翻译：本专刊研究回答了社论标题中的问题，证明陶瓷材料可同时作为结构组件、界面改性剂、分子储库和生物活性相。所报道系统应对细菌污染、炎症、矿化不足、药物溶解度差、修复体耐久性及含骨空间再生等多样挑战。其多样性是优势，表明该领域并非由单一陶瓷或递送机制定义，而由材料化学、加工、药学、生物学和临床需求的整合定义。下一步进展将来自把多功能性能转化为明确定义的治疗价值。这需要可重复材料、机制性释放研究、现实生物模型、长期安全性评估、比较证据和可扩展制造。通过汇集纳米材料、药物递送、牙科、植入物科学和组织工程的贡献，本专刊为该转变提供有用基础，并识别当前必须解决的问题。