多孔硅酸钙生物陶瓷的成骨与降解机理研究

生物陶瓷的研究是骨修复材料领域的一个重要课题。理想的骨修复材料应该具有良好的生物活性和降解性，并具有促进细胞生长、分化和组织再生的作用。过去的研究显示，一定组成的含钙-硅的生物玻璃具有良好的生物活性、降解性和骨修复性能，其降解释放的离子还有激活细胞生长和基因表达的功能。我们的最新研究发现，多孔硅酸钙（CaSiO3）生物陶瓷具有优良的生物活性和降解性，其骨修复性能和降解性较临床应用的β-磷酸三钙生物陶瓷更佳。然而，硅酸钙陶瓷的成骨和降解机理、以及降解产物的去向还不清楚。本项目旨在通过体外细胞实验和兔骨缺损修复模型研究其成骨机理，并研究材料的孔形态和物相对其体内生物活性、骨修复性能和降解性的影响规律；通过研究材料植入后血液、排泄物、内脏、植入部位近端组织的钙-硅含量及分布来探讨材料的降解机理和降解产物去向。本项目的实施为揭示多孔硅酸钙生物陶瓷的成骨和降解机理具有重要的理论意义和实际应用价值。

生物陶瓷的研究是骨修复材料领域的一个重要课题。理想的骨修复材料应该具有良好的生物活性和降解性，并具有促进细胞生长、分化和组织再生的作用。过去的研究显示，特定组成的含钙（Ca）-硅（Si）的生物陶瓷和玻璃材料具有良好的生物活性、降解性和骨修复性能，其降解释放的特异离子还有激活细胞生长和成骨基因表达的功能。我们之前的研究发现了硅酸钙（CaSiO3）生物陶瓷具有优良的生物活性、降解性和骨修复性能，但该材料的成骨和降解机制还不甚清楚。本项目系统开展了硅酸钙生物陶、多孔支架的制备及结构优化研究；通过复合技术开展了硅酸钙/磷酸钙复合陶瓷、硅酸钙/聚酯高分子复合材料的制备与性能调控研究，为实现硅酸钙生物陶瓷材料的降解性、力学性能、以及成骨与降解速率匹配性的调控开辟了途径；体外细胞培养和体内骨修复性能研究结果表明硅酸钙生物陶瓷组分能够促进成骨细胞及骨系干细胞的黏附、增殖、分化和相关成骨/成血管基因的联级表达，其优良的诱导成骨和血管化功能来源于硅酸钙组分降解释放形成的特异硅（Si）离子和碱性微环境，该微环境具有刺激成骨细胞和骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化的特性，可激活骨髓间充质干细胞内AMPK/ERK1/2信号通路，并在基因和蛋白水平诱导诱导细胞内Run-2、ALP、OCN等的高表达，而传统的磷酸钙类生物陶瓷无此效应；同时降解形成的离子微环境还能直接促使内皮细胞增殖和释放血管化因子VEGF的高表达，揭示硅酸钙类生物陶瓷具有促进血管发生的潜能；此外，硅酸钙组分在体内能快速诱导沉积类骨磷灰石层也可能是材料具有良好成骨活性的另一关键因素。体内外实验研究表明硅酸钙生物陶瓷降解途径来源于硅酸钙陶瓷自身具有较好的溶解性及细胞参与介导的材料降解机制，且其降解产物能够通过尿液途径排出体外，而不会在体内主要器官内残留。此外，项目还发展了基于硅酸钙生物陶瓷的水热转化技术制备形貌和组分可控的羟基磷灰石材料的方法。本项目的研究结果在揭示硅酸钙类生物陶瓷材料的成骨和降解机理、以及促进硅酸钙及其复合材料在骨修复领域的应用等方面具有重要的理论意义和实际应用价值。