类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由Wenjie Li（第一作者，同时任职于中南大学粉末冶金国家重点实验室、美国华盛顿大学牙科学院口腔健康科学系）、Jun Chen、Zhuan Li（通讯作者）等合作完成，团队成员来自中南大学粉末冶金国家重点实验室、湘雅口腔医学院、湘雅口腔医院等多个机构。论文发表于期刊《Ceramics International》2021年第47卷，出版日期为2021年5月10日。

学术背景
本研究属于生物医用陶瓷材料领域，聚焦于硬组织修复（如牙科和骨科植入物）中陶瓷材料的骨整合（osseointegration）性能优化。传统氧化锆陶瓷（如3Y-TZP，即3 mol%氧化钇稳定的四方相氧化锆多晶体）虽具有优异的机械性能，但其生物惰性导致与骨组织的整合能力有限。为解决这一问题，研究者提出通过引入铁电材料钛酸钡（BaTiO₃, BT）改性3Y-TZP，利用BT的压电特性及微孔结构调控表面形貌，以促进成骨细胞（osteoblast）的黏附、增殖和分化。

研究目标包括：
1. 探究不同BT比例（0、3、5、7 mol%）对3Y-TZP陶瓷密度、孔隙率和亲水性的影响；
2. 评估BT/3Y-TZP复合陶瓷的生物相容性；
3. 验证其促进成骨分化的能力，包括碱性磷酸酶（ALP）活性和成骨相关基因（RUNX2、TGF-β、BMP4、OCN）的表达。

研究流程
1. 材料制备与表征
- 样品制备：将BT与3Y-TZP粉末按不同比例混合，通过球磨、压制和常规烧结（最高1450℃）制备陶瓷圆片（直径8 mm，厚度3 mm）。
- 密度与孔隙率：采用阿基米德法测量体积密度和开孔率，发现5 mol% BT组密度最高（5.8680 g/cm³），开孔率适中（0.4258%）。
- 微观结构：扫描电子显微镜（SEM）显示，BT添加导致陶瓷表面形成均匀分布的微孔（1–3 μm），且BT晶粒尺寸随含量增加而增大（1–2.5 μm）。
- 亲水性：接触角测试表明5 mol% BT组亲水性最佳（接触角64.57°±2.89°），显著低于其他组。

1. 体外生物相容性评估

   • 细胞毒性（MTT法）：使用人成骨样细胞MG63与陶瓷浸提液共培养，结果显示所有BT比例组细胞存活率均无显著差异，证实材料无毒性。
     
   • 细胞形态（SEM观察）：MG63在5 mol% BT组表面展现出更多丝状伪足（filopodia）和板状伪足（lamellipodia），表明其黏附能力更强。
     

2. 成骨活性分析

   • ALP活性：共培养7天后，5 mol% BT组的ALP活性显著高于对照组和纯3Y-TZP组；14天后，所有BT改性组ALP活性均显著提升。
     
   • 成骨基因表达（RT-qPCR）：5 mol% BT组显著上调RUNX2、TGF-β、BMP4和OCN基因表达，其中OCN（骨钙素）表达量较对照组提高约3倍，表明其促进骨基质矿化的潜力。
     

主要结果
1. 材料性能：5 mol% BT优化组兼具高密度、适度孔隙率和最佳亲水性，其微孔结构为细胞提供了理想的微环境。
2. 生物学响应：MG63细胞在5 mol% BT组表面表现出更强的黏附、扩展和分化行为，ALP活性和成骨基因表达均显著提升。
3. 机制关联：表面微孔通过调控细胞伪足形成增强机械信号传导，而亲水性促进蛋白质吸附，共同激活成骨分化通路（如TGF-β/BMP-Smad信号）。

结论与价值
1. 科学价值：首次证实BT改性可通过调控3Y-TZP表面微孔和亲水性促进成骨分化，为陶瓷植入物的表面功能化设计提供了新思路。
2. 应用价值：5 mol% BT/3Y-TZP复合材料兼具力学性能（断裂韧性5–10 MPa·m¹/²）和生物活性，是牙科和骨科植入物的潜在候选材料。

研究亮点
1. 创新方法：通过常规烧结实现BT与3Y-TZP的复合，避免了复杂表面处理（如酸蚀、喷砂）对材料机械性能的损害。
2. 多尺度表征：结合SEM、接触角测量和基因分析，系统阐明材料物理特性与细胞行为的关联。
3. 临床潜力：材料制备工艺简单，易于规模化生产，且无需外源性生长因子即可促进骨整合。

其他价值
研究得到湖南省自然科学基金等多个项目支持，数据可向通讯作者申请获取。未来需进一步开展动物实验验证体内骨整合效果。