多種生物活性元素共摻雜融合了不同類型生物活性離子的優勢，在提升生物材料生物學性能方面表現出更為顯著的效果。為了進一步提升雙相磷酸鈣（Biphasic calcium phosphate, BCP）生物活性陶瓷在骨缺損再生修復領域中的應用。西工大蘇海軍教授等人將Fe金屬粉末和MgO粉末共同摻雜到BCP生物陶瓷漿料中，利用光固化3D打印技術制備了不同比例的Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷，研究了Fe、MgO摻雜含量對BCP生物陶瓷力學性能、體外降解和促成骨分化、免疫極化的影響規律與機制。研究表明，Fe2+和Mg2+共摻雜有助于促進成骨分化，Fe-Mg共摻雜的BCP生物陶瓷是一種極具潛力的用于骨缺損再生修復的生物材料。相關工作以題為“Effect of Fe-Mg co-incorporation on the mechanical properties, biodegradation, osteogenesis and immunoregulation in vitro of 3D printed biphasic calcium phosphate bioceramics”的研究論文發表在Ceramics International (51) 2025 19828-19844。

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https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.02.146

Fe、MgO共摻雜阻礙了羥基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）的分解，以及β-磷酸三鈣（β-tricalcium phosphate,β-TCP）轉變為α-磷酸三鈣（α-tricalcium phosphate,α-TCP）。由圖1(a)可以看出，當MgO含量達到2 wt.%時，α-TCP相消失。由圖1(b)可以看出，在Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷的FT-IR譜線中，3571 cm-1處的-OH透過峰強度增大，632 cm-1處也出現了-OH透過峰，這表明Fe-Mg共摻雜穩定了BCP生物陶瓷中的HA相。由圖1(c)可以看出，相比BCP生物陶瓷多孔支架，Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷多孔支架大孔孔徑沒有明顯變化。0.5Fe3Mg-BCP的晶粒尺寸明顯減小，微孔數量增多。

圖1. Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷(a) XRD和(b) FT-IR圖譜，(c) Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷宏觀和微觀結構

Fe金屬粉末摻雜將BCP生物陶瓷的抗壓強度從186.49 MPa提高到266.67 MPa。由圖2可以看出，0.5Fe-BCP生物陶瓷和多孔支架的抗壓強度都顯著上升，而Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷和多支架的抗壓強度和發生了明顯下降，0.5Fe2Mg-BCP和0.5Fe3Mg-BCP的硬度也發生了下降。Fe-Mg共摻BCP生物陶瓷的抗壓強度下降由于MgO的引入，MgO的熱膨脹系數與Fe、HA和β-TCP相差較大，而熱膨脹系數的差異會產生應力變形，從而降低強度。

圖2. 未摻雜BCP和Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷及多孔支架的力學性能：（a）生物陶瓷的抗壓強度；（b）多孔支架的抗壓強度；（c）生物陶瓷的硬度

隨著MgO含量增加，Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷在模擬體液（SBF）中的降解速率加快，但高含量的Mg2+不利于BCP生物陶瓷表面生物活性的穩定沉積。由圖3可以看出，在SBF溶液中浸泡1天后，0.5Fe2Mg-BCP和0.5Fe3Mg-BCP生物陶瓷表面出現了大量因降解產生的微孔，同時出現少量的活性磷灰石相附著。這說明Fe-Mg共摻雜生物陶瓷加快了BCP生物陶瓷的降解。而隨著浸泡時間的延長，0.5Fe2Mg-BCP和0.5Fe3Mg-BCP生物陶瓷表面沒有被活性磷灰石相完全覆蓋，陶瓷的降解和磷灰石的生成處于動態平衡。

圖3. 在SBF中浸泡不同時間BCP和Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷表面形貌。黃色箭頭：生物降解導致的微孔；紅色箭頭：板狀生物活性相；藍色箭頭：球狀生物活性相

Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷具有良好的細胞相容性。0.5Fe2Mg-BCP顯著促進了MC3T3-E1細胞的成骨分化，并調控RAW 264.7細胞向M2表型極化。由圖4(a)可以看出，各組浸取液培養的細胞均呈細長狀和多向絲狀足，表明細胞具有良好的附著性。雖然在培養5天后可以觀察到少量的紅色熒光，但細胞活力仍然很高。由圖4(b)可以看出，0.5Fe2Mg-BCP顯著促進了成骨分化相關基因OPN，OCN，BMP-2和RUNX-2的表達。由圖4(c)可以看出，Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷浸取液在培養RAW 264.7細胞3天后，促進了M1型標記基因iNOS的表達，同時促進了炎癥因子TNF-α的表達。在培養7天后，Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷組的M2型標記基因Arg-1和抗炎因子TGF-β的表達上升。Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷對RAW 264.7細胞表型和炎癥活動的調控有利于加快骨組織修復。

圖4. (a) Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷浸取液培養MC3T3-E1細胞1,3,5天的死活染色熒光照片，(b)Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷浸取液培養7天后，MC3T3-E1細胞成骨分化相關基因表達，(c) Fe-Mg共摻雜BCP生物陶瓷浸取液培養3和7天后，RAW 264.7細胞極化相關基因表達

通訊作者介紹

蘇海軍，西北工業大學長聘二級教授、博士生導師。國家級領軍人才，國家優秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者。入選國家首批“香江學者”計劃、陜西省“青年科技新星”、陜西省冶金青年科技標兵、陜西省金屬學會優秀科技工作者，擔任陜西高校青年創新團隊學術帶頭人、陜西重點科技創新團隊帶頭人和先進高溫合金陜西省高校重點實驗室主任。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究，涉及高溫合金、超高溫復合陶瓷、半導體復合材料、有機薄膜太陽能電池、生物醫用陶瓷材料，以及定向凝固和激光增材制造技術與理論等。主持包括國家重點研發計劃項目，國家自然基金重點、優青等7項國家基金在內的30余項國家及省部級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: Engineering，Additive manufacturing等眾多知名期刊發表SCI論文200余篇。擔任中國有色金屬學會青年工作委員會副主任委員、中國機械工程學會材料分會委員會委員、陜西省金屬學會副理事長、陜西省有色金屬學會副理事長，以及陜西省納米科技學會常務理事。獲授權中國發明專利60余項以及3項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西省科學技術一等獎、二等獎，中國交通運輸協會科學技術二等獎，寧波市科技進步一等獎，陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎，陜西省冶金科學技術一等獎，全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎等多項獎勵。

本文來自公眾號“材料科學與工程”，感謝作者團隊支持。