生物材料在再生医学中起着基础性作用，尤其是在骨骼修复和替换方面。鉴于骨骼具有固有的压电性能[1]，[2]，[3]，以及外部电场在促进组织再生方面的积极作用[4]，[5]，人们对能够积极参与愈合过程的功能性生物材料越来越感兴趣。这种兴趣的增加扩展了压电材料在开发活性生物材料方面的潜力——这些材料能够与人体进行机电相互作用。生物材料应能够对外部或内部刺激作出反应，或者具有主动刺激或影响组织或细胞的能力[6]。
电信号与机械、地形和化学信号一起，对细胞通信至关重要。外源性电场的应用已被证明可以加速组织愈合，尤其是在骨骼中[7]，[8]。人类骨骼自然会产生压电信号[1]，[2]，[3]，这些信号与生化和细胞信号一起，在维持和再生骨骼组织中起着关键作用[9]，[10]，[11]。压电材料在受到外部应力引起的微小机械变形时会产生电荷。这种变形导致晶格内的偶极子或离子发生位移，从而改变整体电极化，进而产生压电势[12]。然而，传统的关节置换植入物通常由金属合金制成，缺乏任何形式的机电功能。缺乏对周围骨骼的电刺激可能导致植入物失效，并加剧应力屏蔽和骨脱矿等问题[13]。考虑到仅在英国，到2060年髋关节置换的需求预计将增加37.7%[14]，因此迫切需要创新的活性植入材料。不仅提供机械支撑，还能模拟骨骼自然电环境的材料可能会显著改善愈合效果并延长植入物的使用寿命。
压电陶瓷由于能够向周围组织提供压电刺激，显示出作为机电活性植入材料的潜力。特别是无铅压电陶瓷，如钛酸钡（BaTiO?）[15]和钾钠铌酸盐（(K,Na)NbO?；简称KNN）[16]，[17]，[18]，已被证明在带电表面上具有更好的蛋白质吸附能力，以及增加的细胞增殖和代谢活性。KNN是骨科植入物的理想候选材料，因为其组成离子在生物医学应用中被广泛认为是可接受的。钠和钾在生物体内含量丰富[19]，[20]，并且铌离子的存在已被证明可以改善成骨样细胞的分化和矿化[21]。然而，大多数关于基于KNN的研究都集中在通过掺杂其他离子来增强压电性能以用于传统的非生物医学应用。自2007年以来，超过一半涉及基于KNN的出版物都集中在通过掺杂实现相界工程[22]，[23]，[24]。掺杂的KNN——尤其是掺锂的KNN——已被广泛研究[25]，[26]，因为这些离子替代系统显示出比未掺杂的KNN更强的铁电性能。然而，离子替代对稳定性和细胞毒性的影响并不理想。尽管压电和机械性能有所改善，但掺锂的KNN的离子溶解和细胞毒性却增加了[27]，[28]。其他常见的掺杂剂，如铋（Bi）和锑（Sb），已知具有细胞毒性，并且在长期暴露下可能在体内积累[29]，[30]。
A位点和B位点离子过量对KNN系统的影响已被广泛研究，以改善致密性、微观结构和机电性能[31]，[32]，[33]，[34]。虽然液相烧结和B位点（铌）离子过量引起的晶格扩散可以改善晶粒结构和提高致密性，但二次多铌酸盐相的存在会阻碍这些组分的成功[31]。KNN系统中的A位点（碱）过量已成功用于消除化学计量比KNN中常见的二次相和异常晶粒生长，但始终无法实现很高的密度，从而降低了介电常数和极化幅度[33]。
然而，这些化学计量比修改对生物医学功能性的影响尚未得到研究，而生物医学功能性与典型的传感器和执行器所需的功能性有显著不同。虽然在商业压电材料中孔隙率是不希望的，但对于骨科植入物来说，开放的孔隙率特别有益。大孔隙率（孔径>100微米）和微孔隙率（孔径<10微米）的骨骼界面植入物分别通过促进组织渗透和蛋白质吸附来改善愈合效果[35]，[36]。尽管大多数KNN研究集中在提高压电性能——特别是压电系数（d33）上，但高d33值并不是成功刺激骨骼再生所必需的。压电聚偏二氟乙烯（PVDF）已被证明可以在体内改善骨科伤口愈合，其处理后的d33为24 pC/N[37]。此外，天然人类骨骼产生的内源性场具有小于10 pC/N的压电系数[1]，[2]；较低、更仿生的压电幅度可能对骨生成信号更有利。
除了机电刺激外，植入物与周围细胞之间的相互作用还受到表面特性（包括地形和化学性质）的强烈影响，这些特性调节细胞行为[18]，[38]，[39]，[40]。这些表面特性在介导粘附相关蛋白质的吸附和启动细胞反应（包括粘附、细胞骨架组织、迁移、信号传导和增殖）方面起着关键作用[41]。在将这些材料临床应用之前，必须彻底评估它们与活体组织的相容性。了解细胞对新生物材料的反应需要敏感的早期生物活性标志物，其中活性氧（ROS）起着关键作用。测量培养在KNN生物陶瓷上的细胞中的ROS可以帮助我们确定这种材料是否会引起应力或改变信号通路。这种洞察对于评估KNN的细胞影响和生物相容性至关重要[42]。
先前的工作通过各种方法评估了基于KNN的体块系统的体外生物相容性，包括细胞相容性测试[43]，[44]，细胞形态和增殖的评估[45]，ROS产生的测量[46]，以及细胞活力分析[16]，[17]，[21]，[22]。现有研究表明，KNN系统表现出低细胞毒性，并且比传统的骨科植入材料更有效地促进细胞附着、增殖和各种细胞系的分化[17]。然而，这些细胞评估技术很少结合使用，以全面描述特定KNN系统作为植入材料的适用性。
本研究重点评估体外细胞相容性，并确定KNN组成对细胞反应的影响，为未来的体内研究提供必要的输入。我们研究了化学计量比和加工修改对体块KNN陶瓷功能性能的影响。通过固态烧结和混合气氛烧结制备了化学计量比、碱过量和铌过量KNN颗粒。通过结构和压电表征评估了稳定性和功能性，并通过细胞活力测试、细胞扩散分析、形态评估（包括肌动蛋白细胞骨架组织）和ROS生成全面研究了每种KNN系统对人类MG-63成骨细胞的影响。碱过量和混合烧结的化学计量比KNN颗粒在水环境中表现出稳定的极化，持续时间为14天。所有评估的组成都支持成骨细胞的生长，并且没有表现出细胞毒性，培养在负极化KNN表面的细胞显示出改善的细胞形态和粘附性。
结果表明，前驱体化学成分和合成方法的改变是影响微观结构、水介质中的稳定性以及在细胞培养条件下保持压电性能的有效途径，从而影响细胞相互作用。
