具备良好成骨性能和降解速率的生物陶瓷骨组织工程支架在骨修复领域极具应用潜力。镁黄长石(Ca₂MgSi₂O₇)因其具有良好的力学性能、生物降解能力以及促成骨性能而备受关注。本研究以硅树脂为聚合物前驱体、碳酸钙与氧化镁为活性填料制备打印浆料, 采用挤出式3D打印技术在室温条件下制备支架素坯, 并在惰性气氛下高温烧结制备了镁黄长石生物陶瓷支架, 并对比研究了镁黄长石支架与斜硅钙石(Ca₂SiO₄)、镁橄榄石(Mg₂SiO₄)支架在结构、抗压强度、体外降解能力以及体外生物学性能等方面的差异。结果表明: 镁黄长石支架与斜硅钙石、镁橄榄石支架具有相似的三维多孔结构, 抗压强度、降解速率介于镁橄榄石和斜硅钙石之间, 但促进骨髓间充质干细胞的成骨基因表达能力显著强于镁橄榄石和斜硅钙石支架。本研究证实采用3D打印制备的镁黄长石支架有望作为骨组织工程较理想的支架。

天然骨组织由有机纳米材料胶原纤维和无机纳米材料羟基磷灰石组成, 具有独特的微纳米结构以及传统人工合成材料无法比拟的生物功能和力学性能优势。在组织工程和再生医学的研究中, 模拟天然骨组织层次特征的微纳米结构生物材料是研究热点之一。近年来, 研究人员发现微纳米结构生物材料能有效调节细胞增殖、分化和迁移, 促进细胞成骨分化, 进而促进体内骨组织再生。本文综述了利用天然骨组织层次特征指导材料分层设计的研究进展以及微纳米结构生物材料的细胞相互作用特性和在骨组织工程中的应用, 以期为生物材料的设计提供新思路。

为了获得满意的临床疗效, 优质医用生物陶瓷应该具备怎样的性能一直困扰着广大研究者。自20世纪90年代以来, 作者团队致力于研发医用生物陶瓷, 从基础科学研究到成果转化, 再到临床应用, 积累了丰富的研究和应用经验, 相继提出了“生物适配”和“精准生物适配”理论。本文围绕“医用生物陶瓷(磷酸钙类材料)的功能性生物适配”这一主题分享本团队的学术研究成果和临床应用经验，从结构适配、降解适配、力学适配、应用适配等四个角度, 结合骨科临床应用背景, 探讨如何实现其生物适配和设计制造的有效衔接，旨在为医用生物陶瓷的设计、制造、监管和应用提供依据和建议。

骨科钛内置物存在感染的风险, 需要开发具有抗菌性、生物相容性且不易产生耐药性的表面涂层。通过电泳沉积15、30、45、60 s在微弧氧化(MAO)的钛表面制备了4组纳米氧化镁(MgO)涂层。MgO颗粒在MAO表面形成均匀涂层, 覆盖率随电泳时间延长。与金黄色葡萄球菌共培养6 h后, 4组样品抗菌率分别为1%、69%、83%、84%; 共培养24 h后抗菌率分别为81%、86%、89%、98%。显微观察发现MgO沉积样品表面黏附细菌密度、活细菌比例均随沉积时间延长而减少。与小鼠成骨细胞共培养1 d后, 4组样品存活率(相对空白孔板中所接种细胞)分别为108%、89%、53%、27%, 5 d后分别为139%、117%、112%、66%。荧光显微观察发现MAO样品表面未见死细胞, 而MgO沉积样品表面死细胞比例随沉积时间延长而增加, 但在实验周期(5 d)内均<5%。本研究表明电泳沉积30 s制备的MgO涂层具有良好的体外抗菌性和生物相容性。

磷酸三钙(β-TCP)陶瓷替代材料由于其与骨矿物成分相近及良好的生物相容性和骨传导性, 近年来被广泛关注, 常以纳米颗粒、支架和微球等形式用于骨修复。本研究制备了五种不同的磷酸三钙/磷酸三镁(TMP) (TCP、25% TMP、50% TMP、75% TMP和TMP)复合微球并作了相应表征。随着复合微球中TMP含量增加, 微球释放的Mg²⁺和Ca²⁺的累积浓度增加, 且TMP可以调节复合微球的降解速率。以小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)为模型, 评价了该复合微球的生物相容性、成血管和成骨作用。结果表明, 与TCP、TMP和75% TMP相比, 25% TMP和50% TMP复合微球具有更好的细胞相容性, 对HUVECs有一定的促增殖作用。因此, 含25% TMP和50% TMP的复合微球对血管生成和成骨具有更积极的作用。

钛及其合金以其优异的机械性能和生物相容性而被广泛应用作硬组织植入器械, 但其表面缺乏生物活性以及植入后的炎症反应易导致骨整合不佳。本研究利用不同气氛中的热处理工艺调控氧化钛涂层的润湿性, 并研究表面润湿性能对免疫反应和成骨性能的影响规律。研究结果表明, 与亲水(接触角~10º)的氧化钛涂层相比, 处于亲水/疏水临界状态的氧化钛涂层(接触角’90º), 在仅培养巨噬细胞时, 抑制了巨噬细胞向M1促炎方向极化; 在共培养小鼠骨髓间充质干细胞和巨噬细胞时, 促进了巨噬细胞向M2抗炎方向极化, 同时显著上调了骨髓间充质干细胞成骨相关标记物的基因表达, 显示出更好的免疫促成骨性能。

盖髓剂对于保存牙髓和治疗龋病具有重要作用。临床常用的三种盖髓剂的治疗效果存在较大差异, 如何依据病情选择恰当的盖髓剂亟需相关对比研究予以指导。本研究旨在对临床常用的三种盖髓剂: 齿科氧化锌丁香酚水门汀(ZnO)、自固化氢氧化钙(Dycal)和光固化氢氧化钙间接盖髓剂(Calcimol)的形貌、成分以及理化性能进行表征, 并通过体外细菌和细胞培养实验对其抗菌性和生物相容性进行对比评价。实验结果表明, 齿科氧化锌丁香酚的疏水性能较强, 其有效成分ZnO可持续释放Zn离子, 呈现出优异的抗菌性能; Dycal和Calcimol具有相似的结构形貌和成分, 但Dycal相对疏水, 能持续释放Ca离子, 在周围形成碱性微环境, 从而赋予其抗菌性和较好的生物相容性; Calcimol为亲水材料, 便于临床操作, 钙离子释放量少, 抗菌性稍弱, 但生物相容性优异。本研究结果为临床上以龋病程度及牙髓健康状况为依据，选择合适的盖髓剂提供了实验基础。

羟基磷灰石(HAP)作为一种常见的骨修复材料, 在治疗感染性骨缺损时仍面临着细菌感染的风险, 有限的骨诱导能力也阻碍了其进一步应用。本研究采用共沉淀法制备了一种锰掺杂羟基磷灰石纳米棒(MnHAP), 该纳米材料兼具优良的细胞生物相容性, 高抗菌效率和骨诱导能力。抗菌实验表明, MnHAP10(n(Mn)/n(Ca+Mn)=10%))对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率可分别达到77.85%和75.92%, 并且在808 nm近红外光照射下, 对大肠杆菌的抗菌效率得到了进一步增强(97.63%)。细胞增殖以及相关成骨基因实验表明, MnHAP有利于成骨细胞的增殖分化, 提高了对蛋白质的吸附能力和成骨活性, 促进了相关成骨基因的表达, 且具有良好的生物相容性。MnHAP纳米棒有望为感染性骨缺损治疗提供一种新的思路。

硼硅酸盐生物玻璃以其稳定的结构和优异的生物活性而受到广泛关注, 但生物玻璃在矿化过程中活性呈现初期快而中后期慢的趋势, 造成后期的活性降低。光热可加速生物玻璃降解, 本研究制备了以氮化钛为核、生物玻璃(40SiO₂-20B₂O₃-36CaO-4P₂O₅)为壳的复合生物玻璃, 利用光热场干预生物玻璃的矿化过程。结果表明, 生物玻璃具有显著的光热效应, 光热能力随氮化钛掺杂量和激光功率密度的增加而提高；在体外浸泡中, 近红外光辐照促进了生物玻璃的降解, 浸泡7 d后模拟体液中钙、硼的含量分别增加12%~16%和8%~11%, 加速了羟基磷灰石的生成；细胞增殖活性实验表明样品有良好的生物安全性。因此, 光热场可促进生物玻璃降解和矿化, 对周围细胞影响小, 有望在保障初期生物安全的同时发挥调节作用。

考古发掘出土的风化骨质文物通常疏松多孔、力学强度低、质地脆弱, 易出现翘曲、开裂、酥粉化等现象,亟需探索脆弱骨质文物加固保护的新方法。本研究采用羟基磷灰石前驱材料氧化钙-磷酸氢钙的醇分散液渗入脆弱骨质内部, 再用蒸馏水渗入引发氧化钙与磷酸氢钙反应而生成羟基磷灰石连续相。该连续相能填充脆弱骨内部的孔隙和裂缝, 并通过桥连黏接而加固骨质。利用电镜、能谱、XRD、色差、质量、孔隙率、密度和断面强度等研究考察了悬浮分散液中氧化钙与磷酸氢钙的质量配比(1 : 1、1 : 3、1 : 4、1 : 5、1 : 6、1 : 7)和施加方式(刷涂、滴渗和浸泡)对加固效果的影响，结果表明, 悬浮分散液中氧化钙和磷酸氢钙的质量配比为1 : 3, 且施加方式为刷涂时, 加固处理效果最佳。经加固处理后, 脆弱骨的孔隙率下降了17.3%, 质量、密度和表面强度分别提高了38.39%、34.49%和16.32%, 且其色差∆E也小于3.0, 符合文物保护要求。本研究为脆弱骨质文物的加固保护提供了新的有效方法。

生物陶瓷以其优异的生物活性和可降解性在骨缺损修复领域受到广泛关注。然而, 如何使生物陶瓷降解速率与新骨生成速率相匹配仍然存在挑战, 因此需要更深入地了解生物陶瓷的降解特性。本研究采用密度泛函理论(DFT)计算并探索硅酸盐生物陶瓷的电子结构。研究结果表明硅酸盐生物陶瓷价带顶电荷密度的最大值(VBM_Fmax)与其降解性之间存在线性相关性, 随后的降解实验验证了这种相关性。此外, 对磷酸盐生物陶瓷的研究也证实了该描述符可用于预测不同生物陶瓷的降解性。这一发现有助于更好地理解生物陶瓷的降解机制, 并有望加速可控降解生物陶瓷的设计和开发。

无定形碳酸钙(Amorphous Calcium Carbonate，ACC)在生物矿化中具有重要作用, 其结晶过程受到了人们广泛的关注。镁离子(Mg²⁺)能够有效调控ACC的结晶转变过程, 但其调控ACC转变为一水碳酸钙(Monohydrocalcite, MHC, CaCO₃·H₂O)晶体的作用机制并不清楚。本研究使用Mg²⁺作为添加剂, 采用自动电位滴定系统, 原位研究了ACC到MHC的转变过程, 发现Mg²⁺能够提升ACC的稳定性, 抑制方解石和球霰石的形成。ACC向MHC转变的过程中, 首先发生部分溶解, 随着Ca²⁺被消耗, 溶液中Mg/Ca摩尔比提高。Mg²⁺进一步吸附在ACC颗粒表面, 抑制ACC表面溶解, 促使其从内部溶解, 形成富含Mg²⁺的中空结构以及尺寸更小的纳米颗粒。随后, MHC通过颗粒聚集的方式结晶生长。这些结果解释了Mg²⁺调控ACC通过非经典结晶方式转变为MHC的机理, 加深了对以ACC为前驱体的生物矿化机制的理解。