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2024
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行业新知 | 硅酸镁提高3D打印磷酸镁陶瓷支架的机械强度和骨刺激能力
作者：
奇遇科技
行业新知
近日，广东工业大学机电工程学院何福坡团队在《Ceramics International》发表了题Improving mechanical strength and osteo-stimulative capacity of 3D-printed magnesium phosphate ceramic scaffolds by magnesium silicate additives的研究，通过添加硅酸镁（MgSi）来改善3D打印磷酸镁（MgP）陶瓷支架的性能。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.08.197
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研究内容
骨骼的无机成分主要为磷酸盐与金属元素的复合，镁（Mg）是骨骼中第四丰富的金属元素，对骨生长和修复至关重要。镁磷酸盐（Mg₃(PO₄)₂）陶瓷因其较高的力学强度、较快的降解速率及良好的骨生成能力，成为骨缺损修复的潜力材料。然而，其骨刺激能力仍有待提升。为提高性能，掺入锶、锂、硅等营养元素已被证实能促进骨生成和改善细胞反应。硅（Si）能够促进骨细胞活动，但在磷酸盐陶瓷中的释放速率受限。
镁硅（Mg₂SiO₄）因其良好的生物相容性和生物活性，作为复合材料可以维持镁丰富的微环境并持续释放硅，进一步促进骨生成。本研究通过3D技术制备了Mg₃(PO₄)₂/Mg₂SiO₄复合陶瓷支架，评估了其物理化学性质、体外降解及细胞反应。
△图1，(A) 1100°C烧结的MgP/MgSi陶瓷复合支架的XRD谱图。(B) MgP/MgSi陶瓷的FTIR谱图；黑色箭头指示PO₄³⁻的吸收带，红色箭头指示SiO₄⁴⁻的吸收带。
△图2，3D打印的MgP/MgSi陶瓷支架的SEM图像：(A) 大孔形态的图像，(B) 微观结构的图像。
△图3，MgP/MgSi支架的孔隙率(A)和压缩强度(B)（N = 6，*p < 0.05，#p < 0.05）。*表示两组之间的显著差异，#表示与其他所有组相比的显著差异，NS表示组间无显著差异。
△图4，MgP/MgSi支架在Tris-HCl溶液中浸泡后的重量损失(A)、压缩强度变化(B)和pH变化(C)（N = 5，*p < 0.05）。*表示两组之间的显著差异，NS表示组间无显著差异。
△图5，支架中释放到培养基中的Mg²⁺浓度(A)和Si⁴⁺浓度(B)（N = 3，*p < 0.05）。*表示两组之间的显著差异，NS表示组间无显著差异。
△图6，(A) mBMSCs在支架上附着的细胞骨架共聚焦图像。比例尺 = 100 μm。(B) 支架上存活和死亡细胞的荧光图像。(C) mBMSCs在支架上的增殖活性。(D) 与陶瓷支架共培养的mBMSCs的定量ALP活性（N = 4，*p < 0.05）。*表示两组之间的显著差异。
△图7，(A–D) 在MgP和MgP/MgSi支架上培养的mBMSCs的成骨相关基因表达（A: Col I；B: RUNX2；C: OCN；D: OPN）。(E) mBMSCs在支架上培养14天后的ARS染色照片。(F) mBMSCs在支架上培养14天后的钙矿形成定量（N = 4，*p < 0.05，#p < 0.05）。*表示两组之间的显著差异，#表示与所有其他组相比的显著差异。
结论
MgSi在MgP/MgSi陶瓷复合支架的烧结过程中未与MgP发生反应。MgSi的加入使得MgP/MgSi支架获得了显著更高的压缩强度。MgP/MgSi支架在水溶液中逐渐降解，导致机械强度的下降。MgP/MgSi支架中释放的具有骨刺激作用的Mg和Si离子促进了mBMSCs的生长和成骨相关基因的表达。
总体而言，MgP/40MgSi和MgP/60MgSi支架具有较高的孔隙率、机械强度以及较强的骨刺激作用，是潜力巨大的生物材料，有望有效修复骨缺损。
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