《Algal Research》：Algal biogenic synthesis of SiO
2–CaO–P
2O
5 system bioactive glass using
Cyclotella meneghiniana and waste fish bone
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硅藻生物硅源与废弃鲶鱼骨制备骨修复用生物活性玻璃研究。采用硅藻Cyclotella meneghiniana提取二氧化硅，结合猫鱼骨中高含量钙磷（64.5%±0.4 CaO，30.8%±0.6 P?O?），通过溶胶-凝胶法合成SiO?-CaO-P?O?体系玻璃。体外测试显示，14天SBF浸泡后表面形成Ca/P=1.65的羟基磷灰石层，与天然骨接近。溶出液细胞毒性低（存活率>95%），证实其作为骨支架的生物相容性。研究提出绿色合成新方法，避免传统工艺的环境污染。
埃诺邦·R·埃西恩（Enobong R. Essien）|维克托·A·阿吉萨费（Victor A. Ajisafe）|大卫·A·法卢伊（David A. Faluyi）|恩戈齐·A·阿德莱耶（Ngozi A. Adeleye）|维奥莱特·N·阿塔西（Violette N. Atasie）|塔奥菲卡特·阿博塞德·阿德萨拉（Taofikat Abosede Adesalu）|卢克曼·A·亚当斯（Luqman A. Adams）|马修·朱利叶斯（Matthew Julius）
尼日利亚奥塔贝尔斯技术大学（Bells University of Technology）化学科学系，邮编112103
摘要
含有二氧化硅和磷酸钙的生物活性玻璃在骨骼修复中具有广泛应用前景，因为它们能够在表面诱导形成羟基磷灰石（HA），从而引发一系列反应，最终实现骨骼再生。来自藻类的硅藻生物硅是分析级试剂的绿色替代品。其环保的提取工艺使其适合用于生产生物相容性的硅酸盐基生物活性玻璃。因此，本研究旨在利用硅藻Cyclotella meneghiniana作为二氧化硅来源，以及鲶鱼（Siluriformes）骨骼作为CaO和P2O5的前体，制备出一种生物活性玻璃。所得生物活性玻璃的特性包括其形态、元素组成、矿物相成分及键合性能。通过标准体外实验（在模拟体液SBF中）评估了样品的生物活性，并使用3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（MTT测定法）进行了细胞相容性测试。鲶鱼骨骼中含有64.535 ± 0.394%的CaO和30.818 ± 0.589%的P2O5（按重量计），使其成为CaO-P2O5的丰富来源。分析显示，样品在SBF中浸泡14天后，沉积在玻璃表面的羟基磷灰石中的Ca/P比值为1.65，接近天然骨骼的比值（1.67）。除了生物活性外，该生物活性玻璃的浸出液无毒，且细胞存活率超过95%。这些性能表明该材料适合作为骨骼再生的支架。利用Cyclotella meneghiniana作为二氧化硅前体的合成方法为生产生物相容性硅酸盐生物活性玻璃及相关硅基产品提供了一种有前景的绿色途径。
引言
传统的骨移植方法包括自体移植或异体移植。自体移植是从患者自身部位获取骨组织来修复另一处的缺陷[1]。这种技术的主要优点是不存在排斥反应，因此具有较高的免疫接受度。然而，其缺点包括骨组织不足（尤其是在儿童中）、供体部位可能出现并发症、剧烈疼痛以及手术时间较长[2]。异体移植则使用来自其他个体的骨组织。这种方法也存在一些问题，如骨组织来源有限、疾病传播风险以及由于供体和受体之间的遗传差异可能导致的免疫排斥反应[2]。
据报告[1]，每年有2000万患者患有骨骼疾病。主要病症包括骨肉瘤、骨关节炎和骨质疏松症，以及由骨折引起的组织损伤。这些疾病给医疗系统带来了巨大的经济负担。
在过去20年里，得益于亨奇（Hench）及其同事的开创性工作，开发出了基于合成硅酸盐的移植材料，并展示了所需的生物相容性[3]，[4]，45S5 Bioglass?于1985年取得了临床成功[5]。45S5 Bioglass?的成分按重量计为45%的SiO2、24.5%的Na2O、24.5%的CaO和6%的P2O5。由于其独特的促进血管生成特性（包括增加血管内皮生长因子VEGF的分泌）、体外 VEGF基因表达以及体内血管化能力的提升，它已成为骨再生修复的金标准[6]。此外，45S5 Bioglass?在体内与周围组织具有很强的化学结合能力，并具备优异的生物相容性和可降解性[6]。
熔融淬火法和溶胶-凝胶法是传统的生物活性玻璃合成技术[7]。溶胶-凝胶工艺涉及水解和缩合反应，最终形成凝胶，再进一步加工成玻璃。该方法采用硅醇盐途径作为二氧化硅前体，因为凝胶形成后唯一的副产品是酒精，可通过低温干燥轻松去除。因此，最终材料不含金属离子等污染物。用于催化水解反应的无机酸残留离子通常会在高温烧结过程中转化为气体并排出。
人们尝试通过用金属氧化物（主要是硅酸钠[8]）替代烷氧基硅烷来改进溶胶-凝胶工艺。但这往往会在凝胶网络结构中引入Na离子，需要耗时的水洗步骤来去除它们。此外，每次洗涤都会导致合成凝胶的部分损失[8]。洗涤后，由于大量水分渗透到凝胶网络中，干燥时间也会延长。尽管如此，洗涤结束后Na离子并未完全洗脱。Na离子的存在可能会增加生物活性玻璃在体内和体外应用时生理介质的pH值，这对细胞可能具有毒性。
其他研究者还使用生物质作为二氧化硅来源[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，并将这种方法称为“绿色合成”。不幸的是，二氧化硅提取过程通常涉及生物质的露天燃烧，这可能导致S、N、C氧化物的排放，以及烟雾和颗粒物对环境的污染。特别是CO2，这种温室气体与全球变暖和沿海地区的洪水有关[15]。
利用硅藻生物硅作为二氧化硅来源有望使生物活性玻璃的合成过程更加环保、经济和可持续。硅藻是一种单细胞光合藻类的骨架，具有从微观到纳米级别的三维多孔结构，其外壳由二氧化硅构成，具有层次分明且有序排列的孔隙[16]。硅藻生物硅的外骨骼可以通过培养硅藻细胞或开采天然存在的硅藻土矿物获得。硅藻细胞培养仅依赖无机盐和阳光生长，纯化后可获得无毒的生物硅[17]，[18]。这种基于自然的二氧化硅合成方法相比分析级合成二氧化硅具有多种优势，如生物相容性、无毒性、普遍存在、可再生性（约有110,000种不同的形态[18]）、热稳定性和化学惰性[19]。
基于上述特性，本研究利用硅藻Cyclotella meneghiniana作为二氧化硅来源，鲶鱼骨骼作为磷酸盐前体，尝试合成生物活性玻璃。
材料
为了合成SiO2–CaO–P2O5系统的生物活性玻璃，所使用的材料包括：Cyclotella meneghiniana、鲶鱼（Siluriformes）骨骼、乙二醇（CH2OH）2（Sigma-Aldrich）、硝酸（HNO3）（Sigma-Aldrich）和三羟甲基氨基甲烷[tris（CH2OH）3CNH2]（Sigma-Aldrich）。
生物活性玻璃的细胞相容性测试使用了以下材料：Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）（Sigma-Aldrich）、3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基
鲶鱼骨骼的成分
鱼肉骨骼的成分见表1。结果显示，CaO和P2O5是主要成分，其含量分别为80.206 ± 0.489 mol.%和15.130 ± 0.289 mol.%（合计占样品的95.34%）。这表明鲶鱼骨骼是CaO和P2O5的丰富生物来源，其成分与之前研究的结果相似。
结论
本研究开发了一种基于生物的方法，利用藻类Cyclotella meneghiniana作为二氧化硅来源，合成SiO2–CaO–P2O5系统的硅酸盐玻璃。其中，来自Cyclotella meneghiniana的二氧化硅替代了常用的烷氧基硅烷前体——四乙基正硅酸盐，而CaO和P2O5则从鲶鱼（Siluriformes）骨骼中提取。该合成方法获得了分散均匀、无团聚的玻璃颗粒。
CRediT作者贡献声明
埃诺邦·R·埃西恩（Enobong R. Essien）：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。维克托·A·阿吉萨费（Victor A. Ajisafe）：撰写初稿、实验研究、概念构建。大卫·A·法卢伊（David A. Faluyi）：方法设计、实验研究、数据分析。恩戈齐·A·阿德莱耶（Ngozi A. Adeleye）：方法设计、实验研究、数据分析。维奥莱特·N·阿塔西（Violette N. Atasie）：撰写修订稿、监督工作、项目管理、资金筹集。塔奥菲卡特·阿博塞德·阿德萨拉（Taofikat Abosede Adesalu）：撰写修订稿、
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢尼日利亚卡杜纳州艾哈迈杜·贝洛大学（Ahmadu Bello University）工程学院化学工程系的伊萨·A·雅库布（Isa A. Yakubu）先生在样品的SEM、XRD、XRF和FTIR分析方面提供的帮助。
