近日，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院寧聰琴教授團(tuán)隊在國際生物材料頂刊Biomaterials上發(fā)表題為“Interactive effects of cerium and copper to tune the microstructure of silicocarnotite bioceramics towards enhanced bioactivity and good biosafety”的研究論文，該研究利用鈰和銅的協(xié)同效應(yīng)來調(diào)控硅磷酸鈣生物陶瓷的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)成骨活性和確保生物安全性。上海師范大學(xué)為第一署名單位，學(xué)院2017級碩士生許順祥、上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院骨科吳強(qiáng)博士為論文共同第一作者，上海師范大學(xué)寧聰琴教授、上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院戴尅戎院士為論文共同通訊作者。

研究內(nèi)容簡介

由創(chuàng)傷、感染和腫瘤疾病等引起的骨缺損修復(fù)目前仍是骨科臨床面臨的挑戰(zhàn)。骨缺損延遲愈合和不愈合的發(fā)生率可高達(dá)20%，這給患者和醫(yī)療系統(tǒng)帶來了沉重的負(fù)擔(dān)，可降解生物活性陶瓷作為一種可行性的解決方案目前被廣泛研究。盡管眾多研究表明，功能元素可有效增強(qiáng)生物材料的生物學(xué)特性，然而，調(diào)控新骨生成速率和材料降解速率的匹配，同時兼顧生物安全性仍然是一個難題。鈣磷硅體系生物陶瓷因具有良好的生物相容性和成骨活性，近年來作為人工骨材料得到了廣泛研究。

本研究中，作者利用生物功能性元素鈰 (Ce)和銅 (Cu)協(xié)同調(diào)節(jié)硅磷酸鈣生物陶瓷 (Ca5(PO4)2SiO4, CPS)的物相組成和微觀結(jié)構(gòu)，對其降解性、生物活性和生物安全性進(jìn)行了深入研究。

硅磷酸鈣生物陶瓷的物相組成和體內(nèi)降解性

硅磷酸鈣生物陶瓷的顯微組織結(jié)構(gòu)

一方面，通過在硅磷酸鈣生物陶瓷 (CPS)中摻入不同含量的功能性稀土元素鈰 (Ce)探究其對CPS陶瓷物相組成、微觀結(jié)構(gòu)及降解性的影響，并結(jié)合本課題組之前關(guān)于Cu-CPS的研究結(jié)果 (Biomaterials, 2021, 120553) 進(jìn)一步探究了Ce和Cu的協(xié)同作用效應(yīng)。結(jié)果表明，引入Ce可通過液相燒結(jié)機(jī)制提高CPS陶瓷的燒結(jié)性能，并引起CPS相分離，抑制CPS陶瓷支架的降解速率。相比之下，Ce和Cu共摻的 0.5Ce0.5Cu-CPS 材料既能保持較高的致密度，又能加速CPS的本征降解性，這與晶界處析出的銅氧化物密切相關(guān)。

硅磷酸鈣生物陶瓷的體外成血管性能

硅磷酸鈣生物陶瓷的體內(nèi)成骨活性

另一方面，生物學(xué)結(jié)果表明Ce有助于促進(jìn)CPS的體外成骨活性，并可通過Cu得到進(jìn)一步優(yōu)化；單一細(xì)胞培養(yǎng)條件下，Ce會表現(xiàn)出明顯的血管抑制效應(yīng)，而這種Ce誘導(dǎo)的血管抑制可以通過細(xì)胞共培養(yǎng)方法得到緩解，并可通過Ce-Cu共摻實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。大鼠股骨髁缺損模型實(shí)驗表明，Ce對CPS成骨和成血管的增強(qiáng)作用具有明顯的劑量依賴性，而Cu-Ce共存的0.5Ce0.5Cu-CPS陶瓷表現(xiàn)出最佳的生物活性和良好的生物安全性。

這項工作表明，體外細(xì)胞共培養(yǎng)技術(shù)可更好地反映生物材料內(nèi)植物在體內(nèi)的生物學(xué)行為；利用多種功能元素的協(xié)同作用有望平衡材料的生物活性、降解性和生物安全性。該工作不僅為骨修復(fù)和再生提供了一種有前景的生物材料，并為設(shè)計新的生物材料提供了一種從材料組成、顯微結(jié)構(gòu)到生物學(xué)性能及安全性調(diào)控的綜合性策略。

基金資助

本研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（No. 2017YFC1103800、2018YFB1105600、No.2018YFA0703000）和國家自然科學(xué)基金（No. 51672304）的資助。

論文信息

[1] Shunxiang Xu?, Qiang Wu?, Bo He, Jiancun Rao, Dick Ho Kiu Chow, Jiankun Xu, Xin Wang, Ye Sun, Congqin Ning*, Kerong Dai*. Interactive effects of cerium and copper to tune the microstructure of silicocarnotite bioceramics towards enhanced bioactivity and good biosafety. Biomaterials, available online 21 August 2022, 121751. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014296122200391X

[2] Qiang Wu?, Shunxiang Xu?, Xin Wang, Bo Jia, Yu Han, Yifu Zhuang, Ye Sun, Zhenyu Sun, Yaping Guo, Huamin Kou, Congqin Ning*, Kerong Dai*. Complementary and synergistic effects on osteogenic and angiogenic properties of copper-incorporated silicocarnotite bioceramic: In vitro and in vivo studies. Biomaterials, 2021, 120553.

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120553）