煅烧骨粉与硅烷交联藻酸盐复合材料的优化：面向皮质骨替代的力学性能增强策略

《Annals of Biomedical Engineering》：Optimization of Calcined Bone Powder and Silane-Crosslinked Alginate Composites for Enhanced Mechanical Performance as a Cortical Bone Substitute

本研究针对天然骨替代材料难以兼顾生物相容性与皮质骨级力学性能的挑战，通过优化煅烧骨粉（Calcined Bone Powder）与硅烷交联藻酸盐（Silane-Crosslinked Alginate）的配比及骨粉纳米化，显著提升复合材料力学性能。结果表明，藻酸盐含量提升10倍（B/A10-Si）并减少硅烷交联剂用量（B/A10-Si1/10）后，弹性模量、最大应力和应变能分别提高至原复合材料的8.4倍、18倍和11倍；进一步采用纳米骨粉（平均粒径651 nm）可使力学性能接近皮质骨水平。该策略为开发兼具生物相容性与力学适配性的天然骨替代材料提供了新思路。

　　

在骨科临床中，皮质骨缺损的修复一直面临巨大挑战。传统金属材料（如不锈钢、钛合金）虽能提供足够的力学支撑，但其弹性模量远高于天然骨骼，易导致“应力屏蔽”效应——即植入体承受大部分力学负荷，使周围骨组织因力学刺激不足而发生吸收退化，最终引发植入体松动甚至二次手术。与此同时，天然来源的生物材料（如藻酸盐、胶原蛋白）虽具备优异的生物相容性和降解性，却难以达到皮质骨的高力学强度要求。如何突破生物相容性与力学性能之间的“此消彼长”，成为骨组织工程领域的核心难题。

近期发表于《Annals of Biomedical Engineering》的一项研究，通过巧妙优化煅烧骨粉与硅烷交联藻酸盐复合材料的配方，显著提升了其力学性能，使其首次接近天然皮质骨水平。该研究由金泽大学（Kanazawa University）的Shigeo M. Tanaka团队完成，通过调整材料配比与骨粉纳米化双管齐下，为开发新一代天然骨替代材料提供了重要技术路径。

关键技术方法

研究通过调整煅烧骨粉（平均粒径246 μm）与藻酸盐的质量比（1:1至1:50）及硅烷交联剂浓度（1/20至20倍），制备圆柱形复合材料（φ 15 mm × 8 mm），并利用湿法破碎技术将骨粉纳米化（平均粒径651 nm）。通过准静态压缩试验评估弹性模量、最大应力和应变能；采用模拟体液（SBF）浸泡实验分析材料稳定性；使用单因素方差分析（ANOVA）及事后检验进行统计学比较。

研究结果

1. 藻酸盐配比优化增强力学性能

当藻酸盐含量增至骨粉的10倍（B/A10-Si）时，复合材料的弹性模量、最大应力和应变能分别达到原配方（B/A-Si）的2.3倍、8.2倍和5.8倍。

然而，过高藻酸盐含量（如B/A50-Si）会导致SBF浸泡后力学性能急剧下降，而B/A10-Si在浸泡2周后仍保持稳定。

2. 硅烷交联剂减量提升性能稳定性

在B/A10-Si基础上，将硅烷交联剂用量降至1/10（B/A10-Si1/10）时，弹性模量和应变能进一步提升，且SBF浸泡后性能衰减幅度最小。

研究表明，适量减少交联剂可减少未反应试剂残留，增强体液环境下的稳定性。

3. 骨粉纳米化实现性能突破

将煅烧骨粉纳米化后（nB/A10-Si1/10），复合材料的弹性模量、最大应力和应变能较B/A10-Si1/10分别提升2.4倍、1.7倍和1.4倍，接近牛皮质骨（BCB）水平。

纳米化通过增大骨粉比表面积，强化与藻酸盐的界面结合，并抑制裂纹扩展，从而显著提升力学性能。

结论与展望

本研究通过配比优化与纳米增强协同策略，使天然来源骨替代复合材料的力学性能首次逼近皮质骨需求。其核心突破在于：

1. 1.
   发现藻酸盐与交联剂的“最优配比窗口”，避免过量组分导致的性能退化；
2. 2.
   纳米化骨粉仿生天然骨“胶原-羟基磷灰石”纳米结构，实现界面强化与裂纹抑制。
   尽管该研究未涉及疲劳测试与体内实验，但其力学适配性与SBF稳定性已为后续生物相容性及临床转化研究奠定基础。未来，通过调控离子交联（如钙/钡离子）或pH值进一步抑制藻酸盐溶胀，可望拓展该材料在负重骨修复、颌面重建等领域的应用前景。