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          上海硅酸鹽所研制出多功能黑色生物活性陶瓷材料

          來源:上海硅酸鹽研究所 1357 2020-10-30

          生物陶瓷材料用于修復人體硬組織的歷史悠久,從生物惰性材料(如氧化鋁和氧化鋯等)發(fā)展到既具有生物活性又可降解的生物材料(如磷酸鹽和硅酸鹽生物陶瓷、硅基生物玻璃等),其生理功能要求不再是簡單的組織填充替代物,而是能誘導組織再生、調(diào)節(jié)細胞生長和功能分化的組織工程材料。越來越多的證據(jù)表明,特定生物活性陶瓷材料具有促進軟/硬組織特異性細胞再生活性的作用,被廣泛應(yīng)用于骨骼、牙齒和皮膚的組織缺損修復。然而,實際臨床上存在許多特殊的組織損傷,如骨腫瘤或皮膚癌組織手術(shù)切除后的組織缺損,需要在修復組織缺損之前先清除殘留的腫瘤細胞以免腫瘤復發(fā)。為實現(xiàn)腫瘤治療和組織再生的雙重功能,前期研究通過將生物活性陶瓷與具有腫瘤治療功能的光熱試劑復合,制備出光熱功能化生物活性陶瓷材料。盡管這是一種有效的策略,但是光熱納米試劑在體內(nèi)的長期安全性尚待考察。因此,如何在不引入外來添加劑的條件下,實現(xiàn)生物活性陶瓷材料本身的組織再生和腫瘤等疾病治療功能一體化尤為重要。

          近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領(lǐng)的研究團隊,在多功能黑色生物活性陶瓷材料研究方面取得進展。該研究團隊通過對傳統(tǒng)的白色生物活性陶瓷材料(硅酸鹽和磷酸鹽等)進行熱還原處理,研制出新一代“黑色生物活性陶瓷”,將傳統(tǒng)生物活性陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域從組織再生拓展到腫瘤等疾病治療。相關(guān)研究成果以Black Bioceramics:Combining Regeneration with Therapy為題,發(fā)表在Advanced Materials上(Adv. Mater., 2020, 2005140),并申請專利一項。論文第一作者為上海硅酸鹽所已畢業(yè)的博士王小成,指導教師為吳成鐵研究員。

          該團隊采用鎂熱還原法,將傳統(tǒng)的白色生物活性陶瓷粉進行熱還原處理,制備出一系列黑色生物活性陶瓷材料,包括硅酸鹽(即CaSiO3,MgSiO3)和磷酸鹽(即Ca3(PO4)2、Ca5(PO4)3(OH))兩種體系的生物活性陶瓷。與傳統(tǒng)白色生物陶瓷相比,黑色生物陶瓷材料的晶體內(nèi)部存在大量的氧空位和結(jié)構(gòu)缺陷,其降解性能得到明顯改善,對于成骨細胞和皮膚細胞的粘附、鋪展、增殖、遷移和分化等細胞生物活性有更好的促進作用。在慢性皮膚創(chuàng)傷及大塊骨缺損修復動物實驗中,黑色生物陶瓷對于皮膚和骨組織修復效果明顯優(yōu)于白色陶瓷,表現(xiàn)出顯著的促進軟/硬組織多功能再生活性。此外,在低功率的近紅外光照射下,黑色生物活性陶瓷材料表現(xiàn)出明顯的光熱升溫效果,可導致材料周圍的腫瘤細胞死亡,在體內(nèi)實驗中成功抑制皮膚癌和骨腫瘤的增長,具有優(yōu)異的光熱抗腫瘤效果。綜上所述,黑色生物活性陶瓷材料兼具促進多種組織再生活性及腫瘤治療等多功能特性,該研究將生物活性陶瓷的應(yīng)用范圍由組織再生拓展到腫瘤治療,有力推動生物陶瓷的學科發(fā)展和臨床應(yīng)用。

          研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市科學技術(shù)委員會等的支持。

          論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005140

          黑色生物活性陶瓷材料的制備及其在骨/皮膚組織再生和腫瘤治療等領(lǐng)域的應(yīng)用

          (a)外觀顏色可調(diào)控的黑色生物活性陶瓷粉體;白色硅酸鈣(b,WCS)和黑色硅酸鈣陶瓷粉體(c,BMCS)高分辨透射電鏡照片及幾何相位分析表明,BMCS晶體內(nèi)部晶格畸變嚴重,存在大量的結(jié)構(gòu)缺陷;(d)近紅外光熱照射下,黑色生物陶瓷材料具有顯著的升溫效果;與白色硅酸鈣陶瓷組相比,黑色硅酸鈣陶瓷材料組的慢性皮膚創(chuàng)面愈合速度和質(zhì)量明顯提高(e-f),在體內(nèi)兔子股骨缺損修復中表現(xiàn)出更佳的誘導骨組織再生活性(h)

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