氧化铈稳定氧化锆（Ce-TZP）与骨样羟基磷灰石纳米级直接结合的新发现

作者及机构
本研究由日本鹤见大学牙医学院生物化学与分子生物学系的Mari M. Saito（通讯作者）、Kazuo Onuma（同时隶属日本产业技术综合研究所）、Ryuji Yamamoto和Yasuo Yamakoshi合作完成，发表于Materials Science & Engineering C期刊（2021年卷121，文章编号111665），2020年10月22日在线发布。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于生物材料科学与骨整合（Osseointegration）领域，聚焦牙科植入材料的生物活性机制。传统观点认为氧化锆（Zirconia）是生物惰性（Bioinert）材料，尽管其机械性能优异（如抗弯强度达1500 MPa），但临床应用中骨整合能力存疑。钛（Titanium）虽广泛用于牙科植入，但存在氟化物环境腐蚀、离子释放引发炎症等缺陷。氧化铈稳定氧化锆（Ceria-Stabilized Zirconia, Ce-TZP）因高强度和白色美观特性成为潜在替代材料，但其是否具备直接促进骨整合的生物活性（Bioactivity）尚未明确。

科学问题
Ce-TZP能否在不经化学表面处理（如强酸/碱处理）的情况下，直接与骨样羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HAp）结合？这种结合的纳米级界面结构如何？

研究目标
通过体外细胞实验和纳米级表征技术，验证Ce-TZP的生物活性，揭示其与HAp的界面结合机制，为临床牙科植入材料选择提供理论依据。

研究方法与流程

1. 实验设计与样本制备

• Ce-TZP基底处理：
  使用含10 mol% CeO₂和30 vol% Al₂O₃的Ce-TZP圆盘（直径10 mm，厚度0.5 mm），经金刚石砂轮（#400）和钻石颗粒浆料（0–1 μm）抛光，表面粗糙度Ra=54±3 nm，接触角32.4±3.0°。未进行化学处理，仅超声清洗和灭菌。
  
• 细胞培养：
  小鼠成肌细胞（C2C12）在含骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的培养基中分化成成骨细胞，培养14天以诱导HAp沉淀。培养液中对HAp的过饱和度（Supersaturation）为25.0，确保HAp优先形成。
  

2. 成骨分化验证

• 基因表达分析（qRT-PCR）：
  检测成骨细胞标志物（如Osteocalcin、Osteopontin、I型胶原）的表达，排除成牙本质细胞和软骨细胞标志物干扰。
  
• 蛋白质检测（Western Blot）：
  确认沉淀物中含有骨特异性蛋白（如Osteopontin和Osteocalcin），证明HAp与天然骨成分相似。
  

3. 羟基磷灰石表征

• 扫描电镜（SEM）与透射电镜（TEM）：
  
  • SEM显示HAp为块状结构（~1 μm），直接接触Ce-TZP表面。
    
  • TEM揭示HAp由柔性纳米纤维（<10 nm宽）和填充其间隙的纳米厚板组成，二者均为晶体。
    
• 选区电子衍射（SAED）与快速傅里叶变换（FFT）：
  通过晶格条纹分析确认纳米纤维和薄板均为HAp单相，无其他磷酸钙前驱体（如无定形磷酸钙ACP或磷酸八钙OCP）。
  
• 元素分析（STEM-EDS）：
  HAp的Ca/P原子比平均为1.40±0.02，含Na、Mg、K等微量元素，与天然骨磷灰石成分一致。
  

4. 界面结构分析

• 高分辨TEM（HR-TEM）：
  HAp纳米纤维（晶面间距d=0.206 nm）与Ce-TZP的ZrO₂纳米晶（d=0.297 nm）在晶格条纹尺度直接结合，无蛋白中间层。
  
• 晶体取向关系：
  HAp的（001）面与ZrO₂的（101）面存在外延生长（Epitaxial Growth）关系，Ca原子与ZrO₂表面的O原子位置匹配（误差%）。
  

主要结果

1. Ce-TZP的生物活性：
   成骨细胞在Ce-TZP表面直接沉淀出骨样HAp，其形态（纳米纤维+薄板）和成分（Ca/P比、微量元素）与天然骨高度相似。
   
2. 纳米级直接结合：
   HAp与ZrO₂纳米晶通过晶体外延直接结合，无需化学表面处理或蛋白层介导。这一发现颠覆了氧化锆“生物惰性”的传统认知。
   
3. 与钛植入物的对比：
   钛植入物需通过纳米级蛋白层间接结合HAp，而Ce-TZP的直接结合可能提供更稳定的骨整合。
   

结论与意义

1. 科学价值：
   
   • 首次证实Ce-TZP具有内在生物活性，可通过纳米级外延生长直接促进HAp沉积。
     
   • 提出Ce-TZP与HAp的晶体匹配模型，为生物材料设计提供新思路。
     
2. 临床应用价值：
   
   • Ce-TZP无需复杂表面处理即可实现骨整合，简化植入物制备流程。
     
   • 其抗腐蚀性和美学性能（白色）优于钛，有望成为下一代牙科植入材料。
     

研究亮点

1. 创新性方法：
   
   • 结合HR-TEM与STEM-EDS在纳米尺度解析HAp-Ce-TZP界面，避免有机缓冲液对HAp形成的干扰。
     
   • 使用未化学处理的Ce-TZP基底，排除表面修饰对结果的混淆。
     
2. 关键发现：
   
   • 直接观察到HAp与ZrO₂的晶格匹配，填补了“氧化锆骨整合机制”的理论空白。
     
   • 证实Ce-TZP的骨整合能力优于钛，为临床选择提供实验依据。
     

其他有价值内容

• 局限性：未在体内验证Ce-TZP的长期稳定性，需进一步动物实验。
  
• 延伸方向：对比Y₂O₃稳定氧化锆（Y-TZP）的生物活性，探究稀土元素价态对骨整合的影响。
  

本研究为生物陶瓷材料的开发树立了新标杆，其结论可能推动牙科植入技术的革新。