多孔磷酸鈣陶瓷因其優異的生物活性而受到廣泛關注。然而，它們較差的機械性能嚴重限制了它們的臨床應用。在保持其生物活性的同時顯著提高多孔CaP陶瓷的機械強度仍然是一項重大挑戰。
     為了解決這個問題，四川大學樊渝江教授/周長春研究員團隊在陶瓷燒結過程中使用硫酸鈣來調節羥基磷灰石晶粒的定向生長。原位取向晶粒不僅可以緩解應力集中，還可以增強陶瓷晶界之間的結合力。硫酸鈣促進磷酸鈣陶瓷中活性鈣離子的釋放，進一步增強其體內生物活性和成骨性。在超臨界骨缺損修復模型中，缺損的修復在3個月內完成，機械恢復達到自體骨的70%以上。
  相關研究成果以“3D-Printed Bioceramic Scaffolds Reinforced by the In Situ Oriented Growth of Grains for Supercritical Bone Defect Reconstruction”為題于2024年11月13日發表在《Advanced Science》上。
1. 原位晶須增強陶瓷的制備
       首先，通過DLP技術，利用HAP-CaSO4生物鏈制備了高精度陶瓷綠色體。在燒結過程中，CaSO4可以調節HAP晶粒的取向生長，形成原位晶須結構（圖1a）。制備的多孔陶瓷支架如圖1b、c所示，其輪廓清晰，具有多孔結構。研究者制備了含5%、10%、20%和30% CaSO4的3D打印陶瓷綠體。脫粘后，在900 ℃下保存10 h，燒結得到晶須化陶瓷樣品（分別為5、10、20和30 SH），其顯微組織如圖1d-g所示。EDS和XRD表明該材料僅由CaSO4和HAP晶體組成，并確定生成的晶須為HAP（圖1h-j）。   
 

2. 機械性能
     為了了解原位晶須結構對陶瓷力學性能的影響，研究者3D打印了孔隙率為68%的固體陶瓷和多孔陶瓷進行了壓縮測試（圖2a-d）。多孔陶瓷的應力-應變曲線表明，所有支架都表現為脆性斷裂，即材料破壞后應力迅速下降。利用原子力顯微鏡（AFM）進一步研究了材料的納米力學性能，在原子力顯微鏡下，HAP和20SH樣品在晶粒和晶界上的三個不同點上測量了力-位移曲線（圖2f-m）。晶體內的楊氏模量明顯高于晶界處的楊氏模量。材料的納米力學圖證實了陶瓷晶粒位置的力大于晶界處的力。斷口形貌表明，晶須增強陶瓷具有沿晶和沿晶兩種斷裂模式，而純HAP陶瓷僅表現為沿晶斷裂（圖2n-o）。   
 

3. 機械強化機制
為了進一步了解晶須原位增強的機理，研究者基于陶瓷的微觀結構特征設計了二維單層結構的簡化模型。將原HAP晶粒簡化為球形，將柱狀晶須簡化為柱狀（圖3a）。從圖3c可以看出，晶須的存在顯著提高了支架的變形抗力；應力輪廓圖顯示，無須支架的微孔中存在明顯的應力集中。瞬態模型模擬結果顯示，陶瓷基體內的柱狀晶須結構有效地緩解了應力集中，延緩了損傷的發生，提高了支架的力學性能（圖3e）。   
 

4. 增殖與分化
隨后，研究者發現IWRC的降解速率與CaSO4的含量成正比，Ca2+的初始釋放主要是由CaSO4溶解引起的（圖4a-c）。利用骨髓基質細胞（BMSCs）對晶須增強支架和HAP支架進行體外生物相容性評價。結果顯示，所有支架上的細胞都有明顯的增殖，且添加10% - 30% wt.%的CaSO4不會對干細胞產生細胞毒性作用（圖4h）。激光掃描共聚焦顯微鏡進一步比較了四種陶瓷支架上骨髓間充質干細胞的增殖情況（圖4e）。   

將BMSCs植入支架進行成骨誘導后，觀察IWRC對BMSCs成骨分化的影響。堿性磷酸酶（ALP）染色顯示，30 SH和20 SH ALP表達強烈，有利于誘導早期成骨分化；后期骨髓間充質干細胞內的鈣結節密度較高（圖4f）。通過免疫熒光檢測幾種成骨相關蛋白，30 SH和20 SH樣品的Runx2、Col1、骨鈣素（OCN）和骨橋蛋白（OPN）均高度表達（圖4g）。
 

為了進一步研究成骨分化的分子機制，研究者對沒有成骨生長因子的情況下，用HAP和20 SH培養21天的骨髓間充質干細胞進行了轉錄組學分析（圖5）。結果表明，PI3K-ART、TGF- beta和Wnt信號通路均被有效激活，其中TGF- beta信號通路富集評分最高，提示其在促進成骨分化中起主導作用。   
 

5. IWRC異位成骨
為了評估IWRC的骨修復能力，研究者將四組支架（30 SH、20 SH、10 SH和HAP）植入小獵犬椎旁肌肉3個月，觀察成骨現象（圖6a）。植入后3個月，材料從肌肉組織中取出。支架與周圍肌肉組織緊密結合，組織生長到支架內部，沒有纖維包埋的跡象（圖6b）。染色組織學分析顯示，在20 SH內觀察到連續的骨組織（圖6e-g）。使用ImageJ軟件進行半定量分析顯示，晶須增強組的體積明顯大于HAP組（圖6c）。這表明原位晶須增強陶瓷保留了其骨誘導特性，優于HAP陶瓷，并顯示出進一步應用的潛力。抗酒石酸酸性磷酸酶（Trap）染色顯示，破骨細胞出現在四組材料中，并緊密粘附在材料表面。這表明誘導的骨組織具有自重塑功能（圖6h-k）。聚合酶鏈反應（PCR）表明，20 SH 組Runx2 mRNA水平和OPN表達均顯著高于其他3組（圖6l-o）。   
 

為了進一步闡明IWRC增強成骨能力的機制，研究者在皮下植入支架1個月后對其進行了定量蛋白質組學分析（圖7）。結果顯示，IWRC可能通過AHSG、ACP5、IGF2、SPP1和MGP等成骨相關蛋白的表達來促進成骨能力。其中，鈣離子相關蛋白F2、FFAR2等協同調節成骨相關蛋白的表達。  
 

6.IWRC在超臨界骨缺損再生中的作用
為了評估IWRC促進臨床前超臨界骨缺損骨再生的能力，研究者建立了15 mm的兔股骨截骨缺損模型。圖8a為修復后的3D重建、單層x線片和四分之一剖面圖，比較了植入后1個月和3個月支架和股骨的整體形態。從顯微CT圖像可以清楚地觀察到，在10 SH和20 SH組中，新生的骨組織已經融合成連續的結構，支架已經與骨缺損的兩端融合。結合半定量分析結果發現，新生骨比例（BV/TV）和新生骨密度（BMD-BV）隨骨小梁厚度（Tb.Th）的增加和骨小梁間距（Tb.Sp）的減小而增加。3個月時三組新生骨體積和密度變化趨勢與第1個月一致。
 

使用光學顯微鏡觀察材料和骨組織的整合。植入后一個月，材料的多孔結構充滿了新形成的組織，未檢測到纖維包膜（圖9a）。植入后3個月，材料和骨組織緊密結合，它們之間的邊界完全模糊。支架內新形成的組織的顏色和形態與宿主骨骼的顏色和形態非常相似（圖9b）。如圖9c-e所示，新的骨組織緊緊包裹著支架材料，新組織沿著陶瓷顆粒的表面增殖，證實了IWRC的生物相容性和生物活性。染色結果顯示，植入后1個月，缺損開始逐漸愈合，支架已與宿主骨部分融合（9g-i）。植入后三個月，20 SH組的支架結構清晰，兩端與宿主骨完全融合（圖9j-l）。新骨組織沿外緣幾乎跨越了整個支架，組織的方向接近宿主皮質骨的方向。新骨組織致密，類似于宿主的皮質骨，在新骨內發現大量Haversian管，表明骨組織成熟。   
 

綜上，本文使用CaSO4/HAP陶瓷漿料打印高精度多孔陶瓷支架，隨后在燒結過程中控制晶粒取向生長，以實現機械增強的晶粒排列結構。CaSO4可以促進IWRC陶瓷中活性Ca2+的釋放，顯著提高HAP的骨誘導能力。轉錄組學和蛋白質組學結果表明，IWRC可以激活鈣離子通路和成骨相關蛋白的表達。在臨床前動物實驗中，IWRC僅用3個月就實現了對超臨界骨缺損的修復，機械修復率超過了自體骨的70%。本研究協調了多孔陶瓷的生物活性和機械強度之間的矛盾，成功實現了CaP陶瓷生物活性和機械強度的雙重優化。   

文章來源：
https://doi.org/10.1002/advs.202408459

(責任編輯：admin)

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