自然铜/钛酸铋钾压电陶瓷的协同诱骨机制

赋予材料骨诱导性, 是解决大段骨缺损治愈的有效途径。外加生长因子或仿生设计优化材料，是目前提高骨诱导性重点研究的方向。但外加生长因子涉及到免疫性、功能单一等问题。骨组织是天然压电体，利用压电陶瓷与天然骨压电效应相似的特性，电学仿生设计骨修复材料，实施电刺激成骨，为方便有效的诱导方法，但也存在无铅压电陶瓷电活性低，成骨量少的不足。针对以上问题，将新型无铅压电陶瓷钛酸铋钾（KBT）与具有诱骨功能的矿物中药自然铜复合，制备具有仿生、诱骨、治疗功能的骨修复材料。复合过程中，部分自然铜进入KBT晶格提高压电性能，解决KBT电活性低的问题；植入体内后，压电效应产生的电场可加强自然铜中微量元素在骨缺损处的聚集，更利于成骨，二者特性相互促进，协同诱导成骨。通过系统研究自然铜、压电性能与细胞相关基因的表达、成骨性能间的关联关系和变化规律，揭示协同诱骨机理，为新型诱骨性材料在临床的应用提供理论指导。

完成计划任务情况及取得的突出成绩和重要的研究成果如下：.（1）柠檬酸盐水热法合成纳米晶KBT粉体并制备自然铜/KBT复合材料.以TiCl4、Bi(NO3)3和K2CO3为原料采用柠檬酸盐溶胶-凝胶法低温烧结制备了纳米钛酸铋钾(KBT)粉体。结果表明，TiCl4浓度为1.5 mol/L时，700 °C煅烧2 h合成了单相的片状K0.5Bi0.5TiO3纳米粉体，粉体颗粒边长大约在100~300 nm，厚度为20~50 nm；与固相法相比，烧结温度降低了300 °C；与未添加柠檬酸盐的KBT相比，柠檬酸盐改性后的KBT粒子具有良好的分散性，且能有效抑制晶粒长大。常压烧结制备了不同成分配比的自然铜/KBT复合材料。.（2）揭示了自然铜、KBT成分配比对复合材料结构、力学性能、压电性能影响规律；.发现随着预烧结温度的增加、烧结温度的增加，硬度值增加，抗压强度增加。常压烧结1050°C、预烧结温度500°C、3%自然铜含量所得自然铜/KBT复合材料里氏硬度值最大399HL，抗压强度30MPa.随着预烧结温度的增加、烧结温度的增加自然铜/KBT复合材料压电系数增加，自然铜含量增加，自然铜/KBT复合材料压电系数先增加后减少，常压烧结1050°C、预烧结温度500°C、3%自然铜含量所得自然铜/KBT复合材料压电系数最大27 pC/N。.（3）弄清自然铜、压电陶瓷压电性能协同作用对体内外骨组织构建的影响规律，提出骨诱导机理解释。.自然铜/KBT复合材料促进成骨细胞的黏附、生长、分化、增殖，KBT/5% 自然铜呈现更好的促进成骨细胞的分化增殖效果。动物体内种植成骨性能研究表明，KBT/自然铜材料具有优良的体内成骨特性，相对于KBT缩短了成骨周期。自然铜与KBT复合，在烧结的过程中，煅自然铜中的Fe离子可以进入到压电陶瓷的晶格中，取代A、B位离子形成固溶体，提高压电性能。超过固溶极限后，自然铜可以独立物质形式均匀分布于KBT基体中形成压电复合材料。复合材料经过极化处理植入骨内，压电效应产生的电场，能加强自然铜所含微量元素在骨缺损部位的聚集，更好的发挥其促进成骨作用。因此，二者复合后，各自特性能相互促进，协同诱骨成骨。