碳纤维/聚醚醚酮(Carbon Fiber Polyetheretherketone, CF/PEEK)在骨修复领域已得到了广泛应用, 但生物惰性致使其骨整合性较弱, 极大地影响了临床应用的长期稳定性和骨修复效果。本研究基于无机纳米粒子液相自组装策略, 在CF/PEEK表面构筑了锰掺杂纳米羟基磷灰石(Mn/nHA)涂层, 以期改善其生物活性和骨整合性。实验结果表明, Mn/nHA和nHA涂层均可显著改善CF/PEEK表面粗糙度和提升亲水性。体外研究发现, Mn/nHA和nHA两组涂层改性材料与大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)共培养7 d后, 相对细胞存活率分别高达180%和159%, 均表现出显著的促增殖效果。此外, 茜素红染色和逆转录-聚合酶链式反应(RT-PCR)检测发现两种涂层均能增强细胞在材料表面的矿化和成骨分化能力, 且Mn/nHA涂层呈现出更强的促进作用。

纳米磷酸钙(nCaP)在药物递送、生物成像、抗菌、促成骨等纳米医学领域具有潜在的应用前景, 但其体内分布与代谢规律尚未完全明确, 有待深入研究。本研究采用稀土铕离子荧光标记法, 以荷瘤裸鼠为模型, 探究了两种尺寸nCaP(纳米点NDs: (2.53±0.63) nm; 纳米颗粒NPs: (107.76±25.37) nm×(17.66±1.63) nm)在肝、脾、肺、肾、肿瘤中的分布与代谢。结果显示, 裸鼠尾静脉注射200 μL质量浓度为1.5 mg/mL的两种nCaP溶液, 4 h后CaP NPs主要分布在肝脏和脾脏中, 分别占比65.70%和29.32%, 在肺脏中占比3.83%, 而在肾脏和肿瘤中仅占比0.84%和0.32%, 表明大尺寸CaP NPs更容易被网状内皮(RES)系统中的吞噬细胞捕获。与CaP NPs相比, CaP NDs在肝脏、脾脏和肺脏中的积聚显著减少了89.40%、87.00%和88.89%, 而在肾脏和肿瘤中的蓄积分别提升了3.67倍和3.06倍, 表明尺寸减小有利于CaP NDs被肾小球滤出并增强其肿瘤靶向能力。CaP NDs在肝、脾、肺中的清除率(CLz)分别是CaP NPs的6.60倍、4.14倍和2.40倍, 是肾脏的42.29%, 表明尺寸减小有助于CaP NDs被肝脏、脾脏和肺脏内的吞噬细胞迅速代谢, 但存在肾小管的重吸收作用。在肿瘤中CaP NDs的CLz值比CaP NPs降低了91.9%, 表明小尺寸CaP NDs具有显著增强的肿瘤靶向和滞留能力。进一步对荷瘤裸鼠初步建立了包含尺寸因素的nCaP生理药代动力学(PBPK)模型, CaP NDs和CaP NPs在肿瘤部位分布的预测拟合度(R²)分别达到0.925和0.827。本研究揭示了nCaP的体内分布与代谢规律, 为其医学应用提供了支撑。

无机非金属生物材料是生物材料的主要类型之一, 在组织修复、肿瘤治疗、药物递送等生物医药领域应用广泛, 为国民生命健康做出了重要贡献。我国无机非金属生物材料的研究日渐繁盛, 但其生产和应用仍处于攻坚克难阶段。为了实现我国无机非金属生物材料的高质量发展, 提高其为国民生命健康保驾护航的硬实力, 本文通过战略研究, 分析了我国无机非金属生物材料研究应用的热点和难点问题。基于目前的发展机遇与挑战, 提出了在材料的独特性能设计、材料生物学效应研究、材料介导的新原理和新机制探索、智能个性化定制、大数据筛选和人工智能设计、标准化评价和监管等方面系统发展无机非金属生物材料的建议, 以期为无机非金属生物医药产品的发展提供指导并积蓄科研和人才力量。

无机纳米颗粒在生物医学领域展现出广阔的应用和发展前景, 其生物医学功能和理化性质受到颗粒尺寸和形貌的显著影响。但对于传统的间歇式合成方法, 无机纳米颗粒批次间的高度可重复性合成仍存在较大挑战。相比之下, 微流控技术为无机纳米颗粒的高度可控性和可重复性合成提供了一种先进方法。同时, 微流控技术能够实现快速传质和传热, 并且具有反应体积小、能耗低等优势, 使其成为纳米无机生物材料合成的理想途径。本文对微流控技术在纳米无机生物材料制备领域中的研究和应用进展进行了综述。首先概述了微流控装置中的流体特征和混合机制; 接着进一步介绍了5种经典的微流控装置的微通道结构特征和相应的流体混合特点, 并系统总结了不同类型微流控装置在无机纳米颗粒合成和表面改性中的应用; 最后简要描述了微流控技术在纳米无机生物材料的合成和应用中所面临的挑战以及未来发展的潜在机遇。

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。

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。

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。

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。