我國科學家研製出多功能黑色生物活性陶瓷材料

生物陶瓷材料用於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）發展到既具有生物活性又可降解的生物材料（如磷酸鹽和矽酸鹽生物陶瓷、矽基生物玻璃等），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、調節細胞生長和功能分化的組織工程材料。

越來越多的證據表明，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，被廣泛應用於骨骼、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切除後的組織缺損，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。

黑色生物活性陶瓷材料的製備及其在骨/皮膚組織再生和腫瘤治療等領域的應用

為實現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複合，製備出光熱功能化生物活性陶瓷材料。儘管這是一種有效的策略，但是光熱納米試劑在體內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，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊，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的白色生物活性陶瓷材料（矽酸鹽和磷酸鹽等）進行熱還原處理，研製出新一代「黑色生物活性陶瓷」，將傳統生物活性陶瓷材料的應用領域從組織再生拓展到腫瘤等疾病治療。

相關研究成果以Black Bioceramics：Combining Regeneration with Therapy為題，發表在Advanced Materials上（Adv. Mater., 2020, 2005140），並申請專利一項。論文第一作者為上海矽酸鹽所已畢業的博士王小成，指導教師為吳成鐵研究員。

該團隊採用鎂熱還原法，將傳統的白色生物活性陶瓷粉進行熱還原處理，製備出一系列黑色生物活性陶瓷材料，包括矽酸鹽（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。

（a）外觀顏色可調控的黑色生物活性陶瓷粉體；白色矽酸鈣（b，WCS）和黑色矽酸鈣陶瓷粉體（c，BMCS）高分辨透射電鏡照片及幾何相位分析表明，BMCS晶體內部晶格畸變嚴重，存在大量的結構缺陷；（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；與白色矽酸鈣陶瓷組相比，黑色矽酸鈣陶瓷材料組的慢性皮膚創面癒合速度和質量明顯提高（e-f），在體內兔子股骨缺損修復中表現出更佳的誘導骨組織再生活性（h）

與傳統白色生物陶瓷相比，黑色生物陶瓷材料的晶體內部存在大量的氧空位和結構缺陷，其降解性能得到明顯改善，對於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。在慢性皮膚創傷及大塊骨缺損修復動物實驗中，黑色生物陶瓷對於皮膚和骨組織修復效果明顯優於白色陶瓷，表現出顯著的促進軟/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，在體內實驗中成功抑制皮膚癌和骨腫瘤的增長，具有優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用範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展和臨床應用。

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

來源：上海矽酸鹽研究所