学术研究报告：通过溶胶渗透法掺入硅灰石改善氧化锆陶瓷的骨整合与软组织封闭性能
作者与发表信息
本研究由Wenmin Zhang（华南理工大学材料科学与工程学院、国家组织修复与重建工程技术研究中心）、Wenhao Fu（广东工业大学机电工程学院）、Xiaolan Wang（广东省人民医院医学研究中心、广东省医学科学院）和Jiandong Ye（华南理工大学材料科学与工程学院、教育部生物医学材料重点实验室）共同完成，发表于Journal of Materials Chemistry B（2023年，第11卷，4237–4259页），DOI: 10.1039/d3tb00190c。
学术背景
研究领域与背景知识
氧化锆陶瓷（zirconia ceramics）因其高生物相容性、优异的机械强度和美学特性，成为牙科种植体的理想候选材料。然而，其生物惰性（bio-inert）导致骨整合（osseointegration）能力不足，且与软组织的密封性（soft tissue sealing）较差，易引发种植体周围炎和植入失败。传统表面改性方法（如喷砂酸蚀、生物活性涂层）常以牺牲机械性能为代价，或存在涂层结合力不足的问题。
研究目标
本研究提出通过负压渗透法（negative pressure infiltration）将硅灰石（akermanite, Akt）引入氧化锆陶瓷晶界，旨在同时提升其机械性能、骨整合能力及软组织封闭性，并系统研究渗透时间对材料性能的影响。
研究流程
1. 材料制备
- 硅灰石溶胶合成：采用溶胶-凝胶法（sol-gel），以正硅酸乙酯（TEOS）、硝酸镁和硝酸钙为原料，制备CaO-MgO-SiO₂体系（40:20:40 mol%）的Akt溶胶。
- 氧化锆预烧结体：将纳米氧化锆粉末（50 nm）与聚乙烯醇（PVA）粘结剂混合，经冷等静压（200 MPa）成型后，在900°C预烧结2小时，形成多孔结构（孔隙率55.7%）。
- Akt溶胶渗透与烧结：将预烧结体分为5组（空白组、5/15/40/80分钟渗透组），在-101 kPa负压下渗透Akt溶胶，经凝胶化、干燥后，微波烧结（1430°C，20分钟），获得改性氧化锆陶瓷（标记为5-TZP至80-TZP）。
2. 材料表征
- 微观结构与成分：通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析晶粒形貌、元素分布及相组成。结果显示，Akt填充氧化锆晶界，晶粒尺寸从300 nm降至200 nm，且未引发四方相（t-ZrO₂）向单斜相（m-ZrO₂）转变。
- 力学性能：三点弯曲测试显示，空白组抗弯强度为1050 MPa，改性后降至590–720 MPa，但仍满足牙科材料标准（ISO 6872-2015）。维氏硬度从1300 HV降至1180 HV，但裂纹扩展因Akt的晶界偏转效应而减缓。
- 表面特性：原子力显微镜（AFM）显示表面粗糙度从21 nm增至47 nm；接触角从88°降至49–66°，亲水性显著提升。
3. 体外生物活性评估
- 仿生矿化实验：将样品浸泡在1.5倍模拟体液（SBF）中42天，SEM/EDS分析显示，改性组表面形成球状羟基磷灰石（HA）聚集体，Ca/P比接近1.67，而空白组无矿化现象。ICP-OES检测表明，Akt降解释放的Ca²⁺、Mg²⁺和Si⁴⁺离子促进HA沉积。
- 细胞实验：
- 小鼠骨髓间充质干细胞（mBMSCs）：改性组显著促进细胞粘附、铺展、迁移和增殖。ALP活性（7天）和钙结节（Alizarin Red染色）表明，15-TZP组的成骨分化基因（Runx2、BSP、OCN）表达最高。
- 人牙龈成纤维细胞（HGFs）：40-TZP组细胞增殖率最高，且纤维化相关基因（MAPK3、SMAD3、COL-I）表达上调，证实其增强软组织封闭的潜力。
4. 体内骨整合评价
将空白组与15-TZP植入兔股骨缺损6/12周，组织学（H&E和Masson染色）显示，15-TZP组的新骨形成率（BIC）分别为64%和92%，显著高于空白组（5%和42%）。
5. 有限元分析
模拟垂直载荷（100–200 N）下，改性组与空白组的骨组织应力/应变分布无显著差异，证实Akt改性未影响种植体的力学适应性。
主要结果与逻辑关系
- Akt渗透时间与性能关联：渗透时间延长（5→80分钟）导致孔隙率增加、机械性能下降，但生物活性（HA矿化、细胞响应）逐步提升。15-TZP在机械强度与生物活性间取得最佳平衡。
- 多尺度协同效应：Akt通过（1）增加表面粗糙度、（2）提升亲水性、（3）释放活性离子（Ca²⁺/Mg²⁺/Si⁴⁺），协同促进成骨与软组织基因表达。
结论与价值
科学意义
- 提出了一种通过晶界激活（grain boundary activation）赋予氧化锆陶瓷生物活性的新策略，克服了传统改性方法牺牲机械性能的局限。
- 揭示了Akt通过离子释放与表面拓扑结构调控细胞行为的双途径机制。
应用价值
15-TZP兼具高机械强度（720 MPa）、优异骨整合（92% BIC）和软组织封闭能力，为临床牙科种植体设计提供了新型材料解决方案。
研究亮点
- 方法创新：首次将负压渗透Akt溶胶应用于氧化锆陶瓷改性，实现晶界级生物活性调控。
- 多性能协同：在保留85%原始强度的前提下，显著提升成骨与软组织响应。
- 跨尺度验证：从离子释放（ICP-OES）、细胞基因（RT-qPCR）到动物模型（兔股骨植入），系统论证材料性能。
其他价值
有限元分析证实改性种植体的力学可靠性，为其临床转化提供了理论支持。