《AHM》：骨修复新材料—受珍珠母启发的轻质高强仿生材料

题记

自然界中各种生物材料是典型的天然纳米复合材料，因具有各式各样的多级次有序组织结构而产生奇异的宏观特性。受自然启发，将高性能的纳米单元组装成宏观尺度的精准有序结构，成为突破单一纳米材料性能局限、构建先进纳米复合材料的理想策略。骨骼这样的天然材料通过有序结构增强其机械性能，包括强度、刚度、柔性、断裂韧性、耐磨性以及能力吸收能力。通常来说，天然生物材料的组织结构分为八种：

• 纤维结构：结构单元沿着单一方向排列，不限制抗压强度却提高抗拉强度，（胶原蛋白、蜘蛛丝等）。

• 螺旋结构：提供多方向的韧性和面内各向同性（昆虫外骨骼、螳螂虾掠肢等）。

• 梯度结构：通过逐渐过渡来适应界面性能不匹配，避免界面应力累计，从而提高韧性（牙本/釉质交界、螃蟹爪等）。

• 分层结构：通过引入新的界面来提高脆性材料的韧性（贝壳、鱼鳞等）。

• 管状结构：有序的孔隙结构，有助于能量吸收与裂纹偏转（牙本质、骨骼等）。

• 腔室结构：提供定向应力分布和能量吸收的轻质多孔或泡沫结构。通常周围包裹着致密层而形成三明治结构（柚子皮、珊瑚等）。

• 互缝结构：包括控制强度和流动性的波状和交叉图案的界面（龟壳、鹿头骨等）。

• 重叠结构；其特征是多个板或盾片重叠形成易弯曲且通常有装甲的表面（穿山甲壳、鲨鱼皮等）。

正文

大尺寸骨缺损是临床上的常见病症，其修复问题是如今材料学等学科的研究重点。为了解决这一问题，多种多样的新型材料被尝试用于骨缺损修复，如生物陶瓷、生物聚合物等。其中，硅酸盐基生物陶瓷因其良好的生物可降解性及生物相容性而成为研究热点。然而，致密的硅酸盐基生物陶瓷虽然具有接近天然骨的强度，却由于模量过高而导致骨吸收问题，因此无法在临床中得到真正的应用。为解决这一问题，人们将目光投向了自然界，以贝壳珍珠层为代表的生物结构材料启发了人们研制新型轻质高强材料的新思路。

鉴于此，中科院上海硅酸盐所的吴成铁团队基于双向冷冻开发了一种仿珍珠母结构的硅酸盐基生物陶瓷复合材料，其具有与密质骨相当的强度及模量，且可诱导新骨整合。该工作近期发表在Adv. Healthcare Mater.杂志上。

图1.利用双向冷冻铸造和煅烧等步骤制备仿珍珠母结构生物活性陶瓷，用于骨缺损修复治疗的方案示意图

研究人员通过双向冷冻及冻干的方法，制备了具有层状结构的镁黄长石（AKT）生物陶瓷，随后将其浸渍在树脂溶液中并通过光固化方式得到硅酸盐基生物陶瓷-树脂复合材料。该材料具有有序排列的硅酸盐基“砖”及填充在其中起增强作用的树脂“泥”，且具有优秀的可加工性。

图2.仿生层状硅酸盐基生物陶瓷复合材料的形貌控制

研究发现，所得生物陶瓷的孔隙率与冷冻浆料中陶瓷的含量相关。抗弯及抗压强度均随陶瓷含量增加提高，都在40 wt%时达到最佳。

图3.仿生层状（L）与无序（D）结构对照组硅酸盐基生物陶瓷复合材料的力学性能表征。

细胞试验表明，层状硅酸盐基生物陶瓷复合材料有利于兔骨髓间充质干细胞（rBMSC）及牙周膜细胞（PDLC）的增殖。

图4.L/D两种生物陶瓷复合材料的细胞粘附、增殖表征

研究还发现，该材料对于兔的股骨缺损治疗有显著效果。新生骨沿生物陶瓷的层状方向生长，且陶瓷降解释放的生物活性离子促进了骨的形成。

图5.L/D两种生物陶瓷复合材料在动物骨缺损模型中的修复效果对比

此外，通过组织切片染色结果可以看出，“砖-泥”结构可以成功地诱导新骨组织生长到层状结构的内部，从而形成生物陶瓷/新骨/树脂的三明治结构，进一步提升了成骨效果。

图6.动物骨缺损修复后的组织切片对比

这项研究启发了我们未来从仿生学的角度研究高性能骨组织再生材料的新思路。

参考文献：

1. Naleway,S.E., et al. Structural Design Elements in Biological Materials:Application to Bioinspiration.Adv. Mater., 2015,27: 5455-5476.

https://doi.org/10.1002/adma.201502403

2. Li, T., et al. Bioinspired Biomaterials with a Brick‐and‐Mortar Microstructure Combining Mechanical and Biological Performance.Adv. Healthcare Mater.2020, 9, 1901211.

https://doi.org/10.1002/adhm.201901211

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