供稿人：戚书豪、连芩 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-03-28
多孔磷酸钙陶瓷如羟基磷灰石（HAP）、磷酸三钙（TCP）和双相磷酸钙（BCP）等因其优异的生物活性而在骨缺损修复领域受到广泛的关注，然而磷酸钙陶瓷的机械性能较弱，高孔隙率的结构特征又进一步降低陶瓷支架的压缩性能，因此通常制造的磷酸钙多孔陶瓷支架的抗压强度小于3 MPa，远低于人体皮质骨的抗压强度（88-164 MPa），难以满足骨缺损修复支架的力学性能要求，严重限制了其临床应用。
四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心樊渝江教授、周长春研究员团队通过硫酸钙（CaSO4）掺杂的方式调节羟基磷灰石陶瓷的晶粒生长，首先通过数字光处理（Digital Light Processing, DLP）3D打印技术打印陶瓷素坯，随后在900 ℃下保温10小时，在此过程中硫酸钙可诱导HAP陶瓷中原位生长出HAP晶须，最终获得长度约为10 μm的HAP成分的晶须（图1d-g中紫色部分）。实验发现相比纯HAP陶瓷，30 %质量分数硫酸钙掺杂的HAP陶瓷的抗压强度从8.87 MPa提升至93.12 MPa，弹性模量从273 MPa提升至564 MPa，原位生长的HAP晶须对陶瓷支架有明显的加固作用，能够更好地满足正常手术过程中操作所需要的力学强度。
图1 通过硫酸钙掺杂制备原位生长晶须增强的HAP陶瓷
该研究还发现，由于纯HAP陶瓷在体内降解速度慢，而硫酸钙的降解速度较快，测得的掺杂磷酸钙的HAP陶瓷支架Ca2+的释放速度相比纯HAP支架更快，此外诱导早期成骨分化的碱性磷酸酶（ALP）在磷酸钙掺杂的支架组中表达更为强烈，能够促进骨组织形成。为了评估所制备的支架在临床超临界骨缺损中促进骨再生的能力，进行了兔股骨缺损修复实验，3个月时掺杂20%硫酸钙的HAP陶瓷组在新生骨比例（BV/TV）和新生骨密度（BMD-BV）等方面的骨再生效果均优于纯HAP支架组，支架两端与主骨部分完全融合，新生骨组织在短短3个月内穿透整个支架修复了缺损。
综上，通过在HAP材料中掺杂硫酸钙，该研究使用原位定向晶须生长的方式增强了羟基磷灰石骨修复支架，使其能够满足临床操作和修复过程中的强度要求。此外观察到硫酸钙掺杂支架中钙离子释放的加速和骨化相关蛋白的表达增强，在临床前动物实验中，掺杂磷酸钙的支架在3个月内实现了超临界骨缺损的修复，实现了磷酸钙陶瓷生物活性和机械强度的双重优化。
图2 磷酸钙掺杂HAP陶瓷骨支架的修复实验及3个月后骨组织形态