微生物催化生物陶瓷可用于骨再生

微生物催化活性矿物诱导成骨示意图 中国科学院上海硅酸盐研究所供图

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁团队提出微生物催化活性矿物诱导成骨的思想，并利用微生物催化作用构建生物陶瓷支架表面微纳米结构用于骨组织再生。研究成果发表于《先进材料》。

吴成铁告诉《中国科学报》，受自然界中微生物矿化现象的启发，研究团队通过微生物催化作用在传统陶瓷材料（硅酸盐）表面生长出具有生物活性的纳米碳酸钙矿物，将传统陶瓷材料与微生物基活性材料相结合用于骨组织工程（如图所示）。

骨骼是一种复杂的生物矿化组织，由微纳米尺度的有机（细胞、蛋白质）和无机（羟基磷灰石、碳酸钙）材料组装而成。理想的生物材料需要具有优良的骨传导性与骨诱导性，能高效促进新生骨的形成。而生物材料植入体的表面与宿主细胞直接接触，其物理化学特征是生物材料成功应用的关键因素之一。越来越多证据表明，材料表面的微纳米形貌及其化学特征能有效调控细胞的成骨活性。然而，传统的三维打印陶瓷支架的表面改性主要基于水热法、有机模版法等化学方法，这种非生物调控的矿化过程不利于晶体尺寸与结晶度的控制，从而限制了其生物学效应的高效发挥。

为此，研究团队利用产脲酶菌的代谢作用在陶瓷材料表面诱导出均匀的生物矿化层。期间，微生物首先粘附在基底陶瓷表面，在脲酶和碳酸酐酶的催化下提升微环境中的pH与CO₃^2-浓度。同时，细菌细胞壁表面的负电性基团吸附Ca²⁺，促进碳酸钙颗粒的结核与生长。微生物在陶瓷材料表面构建的纳米碳酸钙矿物明显抑制了硅酸钙陶瓷的快速降解，并对骨髓间充质干细胞的粘附、铺展、增殖、迁移和分化等细胞生物活性具有更好的促进作用。在皮下植入和大块骨缺损修复动物实验中，微生物催化的表面生物材料具有良好的生物相容性，表现出显著的促骨组织再生的优良生物活性。

“综上所述，微生物催化的生物活性材料用于骨组织再生是一种微生物与组织工程相结合的新方法，这种策略为生物医学材料的制备提供了新思路。” 吴成铁说。

相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委等基金支持。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202104829