生物活性陶瓷具有優(yōu)異的生物相容性及成骨活性因而廣泛運(yùn)用于骨組織工程中。然而傳統(tǒng)的生物陶瓷支架往往需要經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)成型，不但消耗了大量能量，同時(shí)其本征脆性極大限制了其應(yīng)用。特別是在顱骨、眶骨等薄壁不規(guī)則骨組織的修復(fù)中，支架植入后往往由于應(yīng)力等原因?qū)е缕扑閺亩绊懝窃偕Ч?。因此，制備出具有?yōu)異可加工性能和力學(xué)強(qiáng)度的柔性生物陶瓷支架是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。海洋中的海綿動(dòng)物——偕老同穴，具有由二氧化硅骨針纖維所構(gòu)成的籠型網(wǎng)格狀宏觀結(jié)構(gòu)，骨針纖維則是具有同心圓層狀微觀結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的多級(jí)結(jié)構(gòu)使得海綿骨架在高無(wú)機(jī)含量（>95%）下仍然保持優(yōu)異的柔韌性。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出生物質(zhì)再利用的策略，制備出天然海綿骨架衍生的柔性生物活性陶瓷，成功實(shí)現(xiàn)了將廢棄的天然生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為具有高附加值的生物醫(yī)用材料。

該研究通過(guò)將二氧化硅天然海綿骨架在氫氧化鈣溶液中進(jìn)行低溫水熱礦化處理，在二氧化硅基體表面原位生長(zhǎng)出水合硅酸鈣，實(shí)現(xiàn)了生物活性層和基體之間的緊密結(jié)合，最終獲得了天然衍生的生物陶瓷支架。經(jīng)過(guò)活化處理后的生物陶瓷支架具有優(yōu)異的體外礦化能力和長(zhǎng)效的鈣、硅離子釋放能力。更重要的是，天然衍生的生物陶瓷支架保留了原始海綿骨架的柔韌性和回彈性，可以任意切割、裁剪為特定形狀，具有理想的加工性能，能夠滿足不同形狀薄壁骨組織的修復(fù)需求。在沒有引入高分子組分的情況下，天然衍生的柔性生物陶瓷具有遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)生物陶瓷和生物陶瓷基復(fù)合支架的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，具有明顯的輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)特性。

細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，天然衍生的柔性生物陶瓷支架可以通過(guò)AMPK/ERK信號(hào)通路促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化；其釋放的生物活性鈣、硅離子可以有效促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移、成管及成血管基因的表達(dá)。兔子顱骨缺損動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，天然衍生的柔性生物陶瓷支架可以支持血管生成及骨再生。這種基于生物質(zhì)再利用策略開發(fā)的柔性生物活性陶瓷支架在顱骨、眶骨等薄壁不規(guī)則骨組織的修復(fù)中具有良好的應(yīng)用前景，也為先進(jìn)生物陶瓷的制造拓展了新思路。

該研究成果以“Naturally Derived Flexible Bioceramics: Biomass Recycling Approach and Advanced Function” 被Cell 旗下的Matter期刊接收（MATTER-D-23-01055R），并申請(qǐng)發(fā)明專利一項(xiàng)。論文的第一作者為上海硅酸鹽所2019級(jí)碩博連讀生楊之波和薛健民助理研究員，通訊作者為吳成鐵研究員。相關(guān)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等基金的資助。

天然衍生的柔性生物陶瓷支架的制備示意圖。

天然衍生的生物陶瓷支架具有優(yōu)異的可加工性、柔韌性及輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)特性。（A）天然衍生的生物陶瓷可以任意剪切，加工為任意形狀。（B，C）天然衍生的生物陶瓷支架具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度及柔性。（D）天然衍生的生物陶瓷支架的循環(huán)壓縮性能。（E，F(xiàn)）抗彎強(qiáng)度及斷裂功。（G）孔隙率-抗彎強(qiáng)度對(duì)比圖。（H）無(wú)機(jī)含量-斷裂功對(duì)比圖。（I）不同生物陶瓷的密度。

天然衍生的柔性生物陶瓷對(duì)兔子顱骨缺損實(shí)現(xiàn)高效血管化骨再生。（A）顱骨缺損模型構(gòu)建。（B）顱骨組織的光學(xué)照片。（C）Micro-CT重構(gòu)。（D，E）組織切片的HE及Masson染色。（F）OPN及CD31免疫熒光染色。（G-J）免疫熒光染色熒光強(qiáng)度定量統(tǒng)計(jì)。