供稿人：戚書豪、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2025-03-28
多孔磷酸鈣陶瓷如羥基磷灰石（HAP）、磷酸三鈣（TCP）和雙相磷酸鈣（BCP）等因其優(yōu)異的生物活性而在骨缺損修復(fù)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注，然而磷酸鈣陶瓷的機(jī)械性能較弱，高孔隙率的結(jié)構(gòu)特征又進(jìn)一步降低陶瓷支架的壓縮性能，因此通常制造的磷酸鈣多孔陶瓷支架的抗壓強(qiáng)度小于3 MPa，遠(yuǎn)低于人體皮質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度（88-164 MPa），難以滿足骨缺損修復(fù)支架的力學(xué)性能要求，嚴(yán)重限制了其臨床應(yīng)用。
四川大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心樊渝江教授、周長(zhǎng)春研究員團(tuán)隊(duì)通過硫酸鈣（CaSO4）摻雜的方式調(diào)節(jié)羥基磷灰石陶瓷的晶粒生長(zhǎng)，首先通過數(shù)字光處理（Digital Light Processing, DLP）3D打印技術(shù)打印陶瓷素坯，隨后在900 ℃下保溫10小時(shí)，在此過程中硫酸鈣可誘導(dǎo)HAP陶瓷中原位生長(zhǎng)出HAP晶須，最終獲得長(zhǎng)度約為10 μm的HAP成分的晶須（圖1d-g中紫色部分）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相比純HAP陶瓷，30 %質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鈣摻雜的HAP陶瓷的抗壓強(qiáng)度從8.87 MPa提升至93.12 MPa，彈性模量從273 MPa提升至564 MPa，原位生長(zhǎng)的HAP晶須對(duì)陶瓷支架有明顯的加固作用，能夠更好地滿足正常手術(shù)過程中操作所需要的力學(xué)強(qiáng)度。
圖1 通過硫酸鈣摻雜制備原位生長(zhǎng)晶須增強(qiáng)的HAP陶瓷
該研究還發(fā)現(xiàn)，由于純HAP陶瓷在體內(nèi)降解速度慢，而硫酸鈣的降解速度較快，測(cè)得的摻雜磷酸鈣的HAP陶瓷支架Ca2+的釋放速度相比純HAP支架更快，此外誘導(dǎo)早期成骨分化的堿性磷酸酶（ALP）在磷酸鈣摻雜的支架組中表達(dá)更為強(qiáng)烈，能夠促進(jìn)骨組織形成。為了評(píng)估所制備的支架在臨床超臨界骨缺損中促進(jìn)骨再生的能力，進(jìn)行了兔股骨缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn)，3個(gè)月時(shí)摻雜20%硫酸鈣的HAP陶瓷組在新生骨比例（BV/TV）和新生骨密度（BMD-BV）等方面的骨再生效果均優(yōu)于純HAP支架組，支架兩端與主骨部分完全融合，新生骨組織在短短3個(gè)月內(nèi)穿透整個(gè)支架修復(fù)了缺損。
綜上，通過在HAP材料中摻雜硫酸鈣，該研究使用原位定向晶須生長(zhǎng)的方式增強(qiáng)了羥基磷灰石骨修復(fù)支架，使其能夠滿足臨床操作和修復(fù)過程中的強(qiáng)度要求。此外觀察到硫酸鈣摻雜支架中鈣離子釋放的加速和骨化相關(guān)蛋白的表達(dá)增強(qiáng)，在臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，摻雜磷酸鈣的支架在3個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超臨界骨缺損的修復(fù)，實(shí)現(xiàn)了磷酸鈣陶瓷生物活性和機(jī)械強(qiáng)度的雙重優(yōu)化。
圖2 磷酸鈣摻雜HAP陶瓷骨支架的修復(fù)實(shí)驗(yàn)及3個(gè)月后骨組織形態(tài)