APTES 修饰的负载铈和镁的硅酸钙生物材料的体外生物活性、细胞相容性及阿莫西林递送

《Materials Today Chemistry》：In vitro bioactivity, cytocompatibility and amoxicillin delivery of APTES-modified cerium- and magnesium-loaded calcium silicate biomaterials

　　

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  蛋壳来源的钙被作为介孔硅酸钙生物材料的可持续来源进行增值利用。
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  APTES 功能化和 Ce/MgCe 掺入对物理化学性质和药物释放行为产生了积极影响。
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  CSB、CSB@APTES 和 CSB@APTES-MgCe 比 CSB@APTES-Ce 显示出更强的类磷灰石矿化能力。
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  CSB@APTES 具有最高的阿莫西林负载能力和更高的释放量。阿莫西林释放表现出异常的非菲克传输，并通过 Peppas-Sahlin 模型进行评估。
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  这些材料在 HaCaT、HUVEC 和 CCD-18Co 细胞系中表现出良好的细胞相容性，并在 hBM-MSCs 干细胞中表现出成骨细胞活力。

引言

如今，许多健康问题受到密切关注，并正在进行大量的科学技术研究以提高人们的生活质量。其中很大一部分研究专注于人体内受损组织的再生和修复。在这些研究中，骨组织缺损是一种普遍的临床问题，个体可能在生命的各个阶段遇到，并可能导致严重的功能损害和生活质量下降。近年来，随着与临床应用相结合的高级生物医学产品的开发，骨组织修复研究加速发展。生物陶瓷材料引起了广泛关注，是生物医学领域最合适的选择之一。因为它们具有生物相容性，能为骨组织提供合适的粘附力，并表现出良好的生物活性，所以可以安全地用于人体。磷酸三钙和羟基磷灰石等磷酸钙因其优异的生物相容性和骨传导性，是生物医学中广泛使用的生物陶瓷材料。虽然磷酸钙通常表现出优异的生物相容性和生物活性，但它们的机械性能不足。相比之下，生物活性玻璃和硅酸钙 (CaO–SiO₂) 等新一代生物陶瓷提供了卓越的机械强度。改性硅酸钙是生物医学应用的良好选择，因为它们在机械和生物性能方面均具有优异的特性 [[1], [2], [3], [4]]。据报道，CaO–SiO₂ 材料的微观结构和比表面积差异会显著影响羟基磷灰石 (HA) 沉积过程和成骨生物活性。通常，CaO–SiO₂ 材料表现出三种相类型：无定形；低温 β–CaSiO₃ 和高温 α–CaSiO₃。在这三种类型中，通常首选无定形 CaO–SiO₂，因为由于 Ca²⁺ 离子的快速释放，它表现出快速形成 HA 的能力。在硅酸钙结构的形成中，正硅酸乙酯 (TEOS) 通常用作硅源，而硝酸钙和氯化钙用作钙源 [2,5,6]。近年来，高钙含量的蛋壳被用作钙的来源 [[7], [8], [9]]。硅酸钙材料在骨组织损伤中的良好性能取决于 (a) 材料的物理性质，如表面积和孔隙率，以及 (b) 其生物性质，如 (i) 生物相容性和 (ii) 与骨组织的良好粘附。(a) 这主要通过提供介孔结构和高比表面积的硅源来实现。TEOS 通常用作硅结构，而普朗尼克 123、普朗尼克 F-127、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）和 PEG（聚乙二醇）等各种表面活性剂用作模板 [1,[10], [11], [12], [13]]。普朗尼克 123 (EO₂₀PO₇₀EO₂₀) 由于其价格低廉、无毒性和可生物降解性而常被首选 [14]。(b) i) 旨在提高生物性能的研究特别关注离子掺杂。主要的掺杂剂是 F^?, Sr^2+, Cu²⁺, Mg²⁺ Eu²⁺, Ba²⁺, Ce³⁺, Zn²⁺, Ti⁴⁺ 和碱金属阳离子 [1,2,15,16]。在这些离子掺杂剂中，铈 (Ce³⁺) 具有抗炎和抗菌特性 [17,18]。此外，由于其电负性和尺寸接近 Ca²⁺ 的离子状态，它在掺入 Ca–Mg 硅酸盐方面表现出潜在的应用领域 [1,2]。镁 (Mg²⁺) 是人体中最丰富的阳离子之一。它在刺激成骨细胞粘附和生长中的作用使其成为骨组织修复的有前景的材料 [16]。ii) 使用不同胺基团对硅结构进行改性。据报道，通过与硅结构形成离子键和富集表面官能团，在材料上获得了积极的结果 [[19], [20], [21], [22], [23]]。Kim 和 Sun 使用溶胶 - 凝胶法合成了硅酸钙水合物杂化材料，并研究了它是否能提高大豆蛋白的湿粘附性能。硅酸钙材料是使用正硅酸乙酯 (TEOS) 和 APTES (3-氨丙基三乙氧基硅烷) 的组合合成的。他们报告说，生成的硅酸钙材料表现出更大的稳定性和与 Ca²⁺ 的良好相互作用。此外，他们指出 APTES 通过其氨基与大豆蛋白形成共价键，有助于界面粘附 [5]。

在骨组织感染的治疗中，全身性抗生素给药往往不足以达到足够的局部浓度，并可能导致全身副作用。在这种情况下，通过负载到介孔结构上实现阿莫西林等抗生素的控释，成为促进感染骨组织愈合的有效方法 [24,25]。因此，局部抗生素递送系统的需求日益增加 [26]。介孔硅酸钙生物陶瓷由于其高孔隙率、大比表面积和生物相容性，作为有效的药物递送系统脱颖而出 [27]。表面改性，特别是使用 APTES 进行胺化，可以通过增加表面官能团密度来提高药物负载能力和控释行为 [28]。此外，富含铈和镁离子赋予材料抗菌和成骨特性，使得开发双功能（抗菌效果 + 骨再生）生物材料系统成为可能 [17,18,25,29,30]。

据我们所知，本研究是首次将蛋壳废料来源的 APTES 改性硅酸钙与单铈和双镁 - 铈掺杂相结合，用于同时实现骨再生和抗生素控释的研究。需要澄清的是，在金属负载硅酸钙生物材料合成中使用铈以及镁 - 铈二元组合合成的研究非常有限。在硅酸钙生物材料合成中使用蛋壳作为钙源的研究也非常有限。此外，文献中还没有关于负载 Ce 和 Mg-Ce 的 APTES 改性硅酸钙生物材料的研究。

章节摘要

材料与化学试剂

从家庭废物中收集的蛋壳用作钙源。首先，用去离子水多次洗涤蛋壳以消除杂质，然后在 105 °C 下干燥 24 h。最后，将干燥的蛋壳样品研磨并在 800 °C 下煅烧 4 h [31]。使用电感耦合等离子体发射光谱 (ICP-OES) 分析技术测定煅烧蛋壳的元素钙含量为 45%（重量）。正硅酸乙酯 (TEOS; 默克，98%) 和

氮气吸附/脱附等温线

氮气吸附/脱附等温线如图 1 所示。所有材料在 P/P_o 范围为 0.4-0.95 时均表现出 IV 型等温线行为，根据 BDDT（布朗auer-德明-德明-泰勒）分类，代表含有微孔的介孔结构。此外，它们显示出 H2 型滞后环，反映了随机排列的墨水瓶状孔的特征 [34,40]。在分压值 P/P_o < 0.02 时的氮气吸收证明了

结论

本研究证明，蛋壳来源的钙可以成功用于合成介孔硅酸钙生物材料，并且 APTES 功能化与 Ce/MgCe 掺入影响纹理性质、SBF 诱导的类磷灰石矿化、初步细胞相容性、成骨细胞活力和阿莫西林递送。

氮气吸附/脱附等温线研究表明，材料具有高比表面积和孔隙体积，这是重要因素

CRediT 作者贡献声明

Filiz Akti: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，监督，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。 Fatma Tomul: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。 Senem Ulyer: 项目管理，调查，数据管理。 Muzaffer Dukel: 验证，形式分析，数据管理。 Funda Turgut

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被视为影响了本文报道的工作。

致谢

这项工作部分得到了 土耳其科学和技术研究委员会 (TUBITAK/BIDEP 2209-A, 参考编号：1919B012301323) 的支持。

Filiz Akti|Fatma Tomul|Senem Ulyer|Muzaffer Dukel|Funda Turgut Basoglu