通过碱活化过程中的原位反应发泡制备生物活性β-Si3N4支架

《Open Ceramics》：Fabrication of Bioactive β-Si 3N 4 Scaffolds by in-situ reactive foaming during alkali activation

　　

用于骨修复的低成本玻璃-陶瓷支架仍然是一个未解决的挑战：尽管自45S5生物玻璃（45S5 Bioglass）以来已经发展了数十年，此类材料仍然表现出不足的力学和断裂性能。近期对Si₃N₄生物相容性的证实促使人们对基于生物活性Si₃N₄的复合支架进行了广泛研究，但这些支架所需的高温烧结会使生物活性玻璃相失透，从而损害所追求的生物活性。研究人员在此报道一种生态可持续的替代路线：通过原位碱活化对β-Si₃N₄粉末进行化学调控，并在温和条件（750–900°C）下煅烧，其中预先存在的元素硅杂质充当发泡剂。所得750°C支架兼具6 MPa的抗压强度与65%的总孔隙率，其中46 ± 14%的孔体积位于大于100 μm的孔内——该尺寸是与血管侵入和骨长入相关的阈值。X射线衍射（XRD）揭示combeite相在750°C形成、在900°C分解；将样品浸入模拟体液（SBF）中证实了含combeite基体的生物活性。煅烧温度对总孔隙率影响很小，但显著改变其分布，从而确定750°C是同时保留生物活性相和大孔结构的最佳条件。这种低温路线为获得力学性能合格的生物活性支架提供了一条绿色且易行的途径。

**论文解读：碱活化原位发泡制备生物活性β-Si₃N₄支架**

骨组织工程需要具有可控孔结构、力学支撑能力和生物活性的多孔陶瓷支架。传统45S5生物玻璃虽具良好生物活性，但其高温烧结或析晶会导致生物活性显著丧失；复制法、添加造孔剂等方法又常造成结构缺陷和力学性能不足。Si₃N₄具有优异的力学性能、生物相容性和抗菌性，但缺乏内在生物活性，其表面化学是决定细胞行为的关键因素。商业β-Si₃N₄粉末中通常含有少量残留元素硅，该杂质在碱性介质中可作为原位发泡剂。因此，研究人员提出利用碱活化技术在低温下将β-Si₃N₄粉末原位反应发泡，避免外加发泡剂和高温烧结，从而制备兼具生物活性和力学性能的支架。该工作发表在《Open Ceramics》。

研究人员将商业β-Si₃N₄粉末在NaOH和Ca(OH)₂体系中进行碱活化，利用碱活化过程中的硅氧化产氢反应实现原位发泡，并在750°C和900°C下煅烧，获得了多孔β-Si₃N₄支架。研究表明，750°C煅烧样品形成combeite生物活性相，总孔隙率为65%，其中大于100 μm的孔体积占46 ± 14%，抗压强度达4.2–6.32 MPa，且在模拟体液中浸泡4天即生成羟基磷灰石；而900°C煅烧样品中combeite分解，失去生物活性。因此，750°C是保留生物活性相和大孔结构的最优条件。这一低温路线为生物活性非氧化物陶瓷支架提供了一种绿色、低碳、无需外加发泡剂的制备途径。

**关键技术方法**：研究人员主要采用热重-差热分析（TG/DTA）确定煅烧温度；X射线衍射（XRD）结合Rietveld定量物相；傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学键变化；扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌；机器学习辅助的WEKA分割法结合Delesse原理计算孔隙率和孔径分布；万能试验机进行压缩测试；模拟体液（SBF）浸泡结合SEM/EDS评价体外生物活性。原料为商业β-Si₃N₄粉末（90% Si₃N₄，325目，abcr，德国）。

**研究结果**

**3.1 材料表征**：TG/DTA显示碱活化样品在约832°C前以失水和分解为主，之后发生Si₃N₄氧化增重，由此确定750°C和900°C两个煅烧温度。XRD定量表明原始粉末含8.2 wt%元素硅和3.3 wt% SiO₂；碱活化后元素硅降至1.8 wt%，证实硅杂质参与原位发泡。750°C煅烧后形成13.6 wt%的combeite（Na₂Ca₂Si₃O₉）；900°C煅烧后combeite分解，形成方石英、硅灰石（CaSiO₃）和Na₂Ca₃Si₆O₁₆。FTIR证实碱活化和煅烧过程中Si–N、Si–O–Si键的演变。SEM显示900°C下基体致密化程度更高。

**3.2 孔隙分析**：通过机器学习辅助SEM图像分割和Delesse原理测得总孔隙率在碱活化态为60.0%，750°C为65.2%，900°C为62.1%。煅烧温度对总孔隙率影响较小，但显著改变孔径分布：大于100 μm的孔体积分数在750°C为45.6 ± 13.7%，900°C则降至22.0 ± 10.8%；750°C样品最大孔约370 μm，900°C仅约200 μm。这说明较高温度下粘性流动使大孔网络逐渐消除，而相对密度和浮力法密度结果与孔隙率变化一致。

**3.3 压缩测试**：两种煅烧样品抗压强度范围为4.2–6.32 MPa，满足松质骨替代的力学要求；弹性模量均在0.5–2.5 GPa之间。750°C样品呈脆性断裂，900°C样品表现出延性平台行为，与裂纹桥接、晶粒拔出和碎片互锁有关。在Gibson-Ashby框架中，该支架性能处于碱活化多孔材料的上限，优于同相对密度下的45S5玻璃-陶瓷泡沫，原因是原位反应发泡形成实心支柱，而非复制法特有的空心支柱。

**3.4 生物活性测试**：SBF浸泡后，SEM显示750°C样品在4天即生成花椰菜状羟基磷灰石晶体，7天后进一步生长；EDS确认其呈Ca、P富集。900°C样品即使浸泡7天也未出现生物活性层。pH测试显示支架在去离子水中引起pH升高，源于Si₃N₄表面水解产生氨和铵离子，而SBF中pH基本稳定，归因于缓冲作用。研究人员指出，这种弱碱性微环境是生物活性陶瓷常见现象，不构成细胞毒性证据。

**讨论与结论**：该支架的双尺度孔结构与溶胶-凝胶58S泡沫相似，但介孔来自碱活化对β-Si₃N₄表面的侵蚀，大孔来自残留硅氧化产氢原位发泡。与需要1350°C烧结的羟基磷灰石支架相比，本方法仅需750°C即可获得实心、连续粘结的孔壁；与反应烧结或放电等离子烧结法制备多孔Si₃N₄相比，加工温度降低数百度，且无需牺牲相或外加发泡剂。研究结论为：通过NaOH碱活化原位发泡并添加Ca(OH)₂使组分趋近45S5生物玻璃，可在750–900°C制备β-Si₃N₄支架；元素硅杂质充当原位发泡剂；750°C保留combeite和大孔结构，在SBF中形成羟基磷灰石，抗压强度达4.2–6.32 MPa；900°C因combeite分解而失去生物活性。因此，750°C为优选煅烧条件，可在不牺牲力学性能的前提下同时保留生物活性相与大孔结构。