锰掺杂磷灰石生物陶瓷在骨再生中的应用：合成、表征、体外生物矿化、力学性能及细胞相容性评估

《Journal of the Indian Chemical Society》：Manganese-Doped Larnite Bioceramics for Bone Regeneration Applications: Synthesis, Characterization, In Vitro Biomineralization, Mechanical performance, and Cytocompatibility Assessment

　　

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  采用溶胶-凝胶燃烧法合成了锰掺杂莱茵石（1%、2%和3%）。
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  Mn²⁺掺杂在模拟体液（SBF）中3天内加速了磷灰石成核。
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  三种样品的抗压强度均与原生皮质骨相当。
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  1%掺杂物表现出最有利的细胞相容性反应。
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  锰掺杂莱茵石在硬组织工程领域展现出良好的应用前景。

引言

由于骨骼自愈能力有限，且传统治疗方法无法满足临床需求，严重骨创伤的治疗仍然是骨组织工程领域最具挑战性的难题之一[1]。尽管金属植入物具有优异的机械强度，但它们可能引起应力屏蔽效应、生物活性差以及发生腐蚀[2]。这些局限性增加了对合成骨替代材料的需求，包括聚合物、生物玻璃和生物陶瓷[3]、[4]。理想的骨替代材料必须在提供结构支撑的同时，在机械强度、细胞相容性和磷灰石形成能力之间保持平衡[5]。羟基磷灰石（HAp）是一种研究广泛生物陶瓷，因其与天然骨化学组成相似、具有优异的骨传导性、磷灰石形成能力以及与周围骨组织的强结合力[6]、[7]。然而，其韧性不足、延展性差和固有强度低限制了其在承重应用中的使用[8]、[9]、[10]。β-TCP同样具有良好的细胞相容性和骨修复潜力；然而，其快速降解可能导致结构稳定性过早丧失[11]。近年来，骨再生材料的研究主要集中在提高机械性能的同时保持良好的生物反应。有人探索了用纳米级组分增强磷酸钙基骨水泥以克服其固有的机械局限性；例如，碳纳米管增强的磷酸钙水泥通过纳米填充和桥接效应表现出改善的机械性能，同时增强了成骨反应[12]。此外，有效的骨再生涉及细胞和血管反应的协调，包括骨折愈合过程中间充质干细胞介导的血管生成[13]。因此，与增强型磷酸钙水泥不同——后者的增强主要源于纳米填充和桥接等机制的二次增强相——本方法依赖于通过Mn²⁺掺入进行的晶格级改性。生物活性硅酸盐陶瓷通过其生物相容性和促进成骨分化的能力支持骨形成[14]、[15]、[16]。硅酸钙和硅酸钙镁生物陶瓷，如硅灰石、莱茵石、透辉石、钙铁辉石和布里吉石，由于其优异的磷灰石形成能力和机械完整性，在骨组织工程领域日益受到重视[17]、[18]。莱茵石（Ca₂SiO₄）是一种具有高生物活性、增强成骨信号传导和良好生物相容性的硅酸钙生物陶瓷[19]。莱茵石在模拟体液（SBF）中表现出高的表面反应活性，促进其表面磷酸钙沉积[20]。然而，莱茵石表现出有限的生物学功能，包括细胞黏附，并且缺乏能够主动刺激细胞反应以促进骨形成的治疗离子[21]。因此，治疗离子替代是定制莱茵石物理化学和生物学性能的一种潜在策略[22]。近年来，骨相关生物医学材料的进展越来越多地集中于基于纳米材料和先进材料设计策略以改善治疗和再生性能。基于纳米材料的体系已显示出调控骨微环境和支持骨再生过程的潜力[23]。人工骨植入物的先进加工进一步证明了材料结构和加工条件在决定机械性能方面的重要性[24]。该研究展示了在骨再生生物材料开发中控制材料组成、结构和表面特性的重要性。关于混合金属铁氧体纳米材料的相关研究表明，受控阳离子替代和加工条件对相形成、形貌、热行为和功能性具有显著影响。例如，Co_xFe_3-xO₄中Co/Fe比的改变以及Co-Ni-Zn铁氧体中Ni²⁺被Co²⁺替代，产生了与组成相关的相演变、颗粒特性和磁性行为的改变[25]、[26]。类似地，Zn-Co和Ni铁氧体中La³⁺的替代已被证明可以改变其结构和形貌特征，热处理在相发展中起着重要作用[27]、[28]。混合金属铁氧体还通过改进的溶胶-凝胶路线结合受控热处理获得，证明了前驱体化学和退火条件在决定最终纳米结构方面的重要性[29]、[30]。尽管本研究的Mn替代莱茵石是硅酸钙生物陶瓷而非铁氧体，但这些发现为如何通过受控离子替代和加工来定制功能性无机材料中组成-结构-性能关系提供了更广泛的材料设计视角。多种微量金属离子已被掺入HAp和其他生物陶瓷中以调节其生物学和功能性[31]。例如，银（Ag⁺）离子提供广谱抗菌特性，可能有助于减少术后感染[32]、[33]。钛（Ti⁴⁺）已被掺入生物陶瓷中以改善硬组织应用的机械和骨传导性能[34]。锶（Sr²⁺）可促进成骨细胞活性[35]。锰是一种必需微量元素，参与与成骨细胞活性和胶原基质形成相关的生物过程[36]。值得注意的是，Mn²⁺作为一种酶辅因子参与对骨组织形成至关重要的蛋白聚糖合成[37]。先前研究已证明Mn²⁺能够促进HAp沉积和成骨细胞反应[38]、[39]。尽管锰掺杂已在羟基磷灰石、磷酸三钙和生物活性玻璃中得到广泛研究，但关于Mn掺入硅酸钙生物陶瓷的研究仍然有限。特别是，Mn替代对莱茵石结构特征、表面性质、机械性能、生物矿化和细胞相容性的综合影响仍有待深入研究。本研究的创新之处在于系统评估了不同浓度下Mn²⁺替代对莱茵石结构特征、表面性质、生物矿化、机械性能和细胞相容性的综合影响。因此，本研究探讨了1、2和3 mol% Mn²⁺替代对莱茵石生物陶瓷结构、表面、机械、生物矿化、降解和细胞相容性特征的影响。锰掺杂莱茵石采用溶胶-凝胶燃烧法合成，并进行系统表征以确立锰掺入的组成依赖性影响[40]。选择该方法的理由是其组成均匀、纯度高和低温加工[41]、[42]。

章节摘要

材料与方法

采用化学计量比的硝酸锰（Sigma-Aldrich Fine，99.9%）、甘氨酸（SD Fine AR，99.5%）、硝酸钙四水合物（SD Fine，98%）、四乙基 orthosilicate（98%，Acros Organics）和硝酸进行锰掺杂莱茵石的合成。用于合成锰掺杂莱茵石的前驱体摩尔量见表1。锰掺杂莱茵石样品在三个Mn浓度下合成，Ca_2-xMn_xSiO_4,其中x=1、2和3 mol%，采用

X射线衍射表征

XRD图谱提供了掺杂样品晶体结构和相组成的信息。三种组分的XRD图谱（La-Mn-1、La-Mn-2和La-Mn-3）均与ICDD卡片数据00-033-0302良好吻合（图1(a)）。值得注意的是，莱茵石30°至35°之间的主峰显示出系统性的峰位移（图1(b)），这进一步证实了掺杂进入莱茵石晶格的结果。这种位移现象源于

结论

采用溶胶-凝胶燃烧法成功合成了含有1、2和3 mol% Mn的Mn替代莱茵石生物陶瓷。Rietveld精修证实Mn掺入后单斜莱茵石相得以保留，XPS支持Mn诱导的莱茵石化学环境改性。BET分析表明，随着Mn含量的增加，比表面积增大，La-Mn-3达到59.70 m²/g。所有组分在SBF中

CRediT作者贡献声明

Keerthana Janakiraman：撰写——原稿撰写、可视化、验证、形式分析、数据整理。Sasikumar Swamiappan：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思

伦理审批

不适用，因为本调查未涉及人类参与者或动物实验

数据和材料可用性

本研究期间生成和分析的数据可向通讯作者提出合理请求后获取。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

资金

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项资助。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的与本论文所报告工作可能产生冲突的经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢维洛尔理工学院管理层提供必要的设施和机构支持以完成本项研究。作者还感谢DST-FIST提供XRD和SEM/EDAX设施的使用权限，以及CAMPT-VIT对力学测试分析的支持。

Keerthana Janakiraman|Sasikumar Swamiappan