编辑推荐：
为解决骨组织工程中磷酸钙和硅酸钙支架材料选择及含量优化问题，伊朗大不里士医科大学研究人员开展相关研究，发现 10 wt% TCS 和 HAP 的 SA 水凝胶支架优势显著。推荐科研读者阅读，助您深入了解骨支架前沿成果。
在骨骼组织工程（Bone Tissue Engineering，BTE）的领域中，科学家们一直努力寻找修复受损骨骼的有效方法。人体的骨骼就像一座坚固的大厦，支撑着身体的各项活动。但当这座 “大厦” 出现破损，比如因骨折、疾病等原因导致骨缺损时，如何精准高效地修复就成了一大难题。
为了解决这个问题，组织工程学（Tissue Engineering，TE）应运而生，它的主要目标是制造出能替代受损组织的功能性替代品。而 3D 支架在其中扮演着至关重要的角色，它就像是新建 “大厦” 的临时框架，为新组织的生长提供支撑。一个理想的支架需要具备很多优良品质，比如良好的生物相容性（能与人体组织和平共处，不引起排斥反应）、生物可降解性（完成使命后能逐渐被人体分解吸收）、生物活性（能促进细胞生长和组织修复）、合适的机械性能（能承受一定的压力）以及适宜的孔径（方便细胞附着和营养物质扩散） 。
在构建支架的材料选择上，科学家们把目光投向了两类生物材料 —— 磷酸钙和硅酸钙。磷酸钙家族里的羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HAP），它就像是骨骼中的 “天然砖块”，是骨骼和牙齿的主要矿物质成分，具有出色的生物相容性和骨传导性，能引导新骨组织的生长。硅酸钙家族中的硅酸三钙（Tri-calcium Silicate，TCS）也不容小觑，它不仅有生物活性，能促进新骨形成，还能在一定程度上调节细胞的分化。
然而，在实际应用中，难题又出现了。到底是磷酸钙支架更合适，还是硅酸钙支架更胜一筹呢？这就像是在两条通往宝藏的道路上犹豫不决，不知道哪条才是正确的。而且，如何确定这些材料在支架中的最佳含量，也是个亟待解决的问题。带着这些疑问，来自伊朗大不里士医科大学（Tabriz University of Medical Sciences）等机构的研究人员开启了探索之旅。他们的研究成果发表在《Journal of Biological Engineering》期刊上，论文题目是 “The stability and self-assembly of tri-calcium silicate and hydroxyapatite scaffolds in bone tissue engineering applications” 。
研究人员在这次探索中使用了多种强大的 “武器”。其中，分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟技术是他们的一大 “法宝”。通过这个技术，研究人员可以深入到原子层面，观察材料分子之间的相互作用和行为，就像是拥有了一台能看到微观世界的超级显微镜。另外，实验分析也是重要的一环，包括对生物墨水进行流变学测试（研究墨水的流动和变形特性），以及对 3D 打印支架进行机械性能测试（检测支架能承受多大的压力） 。
优化 SA 水凝胶中 TCS 含量
研究人员首先对 SA 水凝胶中不同含量（0、10、20、30 和 40 wt%）的 TCS 进行了研究。他们借助 MD 模拟，从多个角度观察 TCS 与 SA 水凝胶的相互作用。
溶剂可及表面积（Solvent-Accessible Surface Area，SASA）分析就像是给分子的 “亲水性” 做了一次体检。SASA 值越低，说明分子结构越紧密，水分子越难以进入。研究发现，10 wt% TCS 的 SASA 值最低，分布也最窄，这表明它的结构最为紧凑。
均方根偏差（Root-Mean-Square Deviation，RMSD）分析则像是一把衡量分子结构稳定性的尺子。RMSD 值低，意味着分子结构稳定。在模拟中，10 wt% TCS 的 RMSD 值最低，说明它的结构最稳定，就像一座坚固的城堡，不易发生变形。
氢键（Hydrogen Bonding，H-bond）在维持分子结构稳定方面起着重要作用。研究发现，10 wt% TCS 的 SA 分子与水形成的氢键数量最少，这反而表明形成的组装体更稳定，就好像分子之间找到了一种更稳定的连接方式。
回转半径（Radius of Gyration，Rg）可以反映分子的聚集程度和系统的稳定性。TCS40 和 TCS10 的 Rg 值最小，说明它们的分子聚集更紧密，系统更稳定，而 TCS30 的 Rg 值较高，结构相对松散。
均方根波动（Root-Mean-Square Fluctuation，RMSF）用于衡量原子位置的波动情况。RMSF 值低代表分子区域更稳定、更不灵活。10 wt% TCS 的 RMSF 分析结果验证了之前的发现，再次证明它是最稳定的样本。
综合这些分析，10 wt% TCS 在所有测试样本中表现最佳，它能形成更稳定的结构，降低溶剂可及表面积，提高能量键的稳定性。
优化 SA 水凝胶中 HAP 含量
接着，研究人员又对 SA 水凝胶中 HAP 的含量进行了优化。通过 MD 模拟分析 HAP、SA 水凝胶和水之间的氢键，发现纯 SA 水凝胶虽然氢键得分最低，但它缺乏骨支架的成骨特性。而 HAP10（90 SA/10HAP 复合）的氢键得分较低且合适，在稳定性方面表现出色。
SASA 分析显示，HAP10 的 SASA 值最低，这意味着聚合物聚集紧密，不向水扩散，结构更加稳定。从径向分布函数（Radial Distribution Function，g (r)）来看，HAP10 分布均匀，而其他比例的样本分布较宽甚至出现双峰。RMSD 和 Rg 分析也表明，HAP10 在模拟结束时 Rg 值最低，平均 Rg 值与 HAP30 接近但分布更低，整体结构更稳定。
TCS 与 HAP 的比较
研究人员还对 TCS 和 HAP 进行了全面比较。结果发现，在制备骨支架时，10 wt% TCS 和 10 wt% HAP 都能使水凝胶的结构稳定性和紧凑性增加，这从 SASA 和 Rg 值的降低可以看出。同时，它们形成的氢键数量减少，意味着水凝胶的水化程度降低，这对支架的机械特性和细胞相互作用可能有积极影响。RMSD 和 RMSF 值也表明，10 wt% TCS 和 10 wt% HAP 的结构更稳定、更不灵活。
进一步比较发现，HAP 与水的相互作用更强，而 10 wt% TCS 样本的吉布斯自由能更低，这意味着它的自组装过程更稳定、更自发。综合来看，虽然 10 wt% HAP 和 10 wt% TCS 在很多方面表现相似，但 TCS 在稳定性和自组装参数上更具优势。
实验分析
为了验证模拟结果的准确性，研究人员进行了实验分析。他们对不同生物墨水进行流变学测试，结果发现 TCS10 和 HAP10 在所有流变学图表中得分最高，且 TCS10 的得分高于 HAP10。这两种生物墨水在较宽的剪切速率范围内粘度都超过 100 Pa?s，具有合适的储能模量（TCS10 的 G'>1000 Pa，HAP10 的 G'>500 Pa）和损耗模量（G''>500 Pa） ，打印性能良好，能长时间保持可打印性。
在 3D 打印支架的机械性能测试中，TCS10 的最大应力达到 14.55 MPa，在 SA/TCS 支架中最高；HAP10 的最大应力为 11.20 MPa，是 SA/HAP 支架中最强的。在弹性模量方面，TCS10 和 HAP10 分别为 29.07 MPa 和 24.26 MPa，均高于纯 SA 支架的 22.48 MPa。这些实验结果与 MD 模拟结果高度吻合，证明了模拟结果的可靠性。
通过一系列的研究，研究人员得出结论：在 SA 水凝胶基质中加入 10 wt% 的 HAP 和 TCS，似乎能产生更致密、更稳定且可能水化程度更低的结构，这对支架的机械特性和细胞界面可能具有有利影响。但比较 TCS10 和 HAP10 样本后发现，10 wt% TCS 与 SA 水凝胶组成的样本在稳定性、自组装和机械性能方面优于 HAP 样本，表明硅酸钙成分在这些方面比磷酸钙更具优势。
这项研究意义重大，它为骨组织工程中支架材料的选择和优化提供了重要依据。不过，目前的结论还只是基于模拟和实验，还需要在动物体内进行临床前测试，进一步验证这些结果，就像给研究成果加上一道更坚固的 “保险”，确保其在实际应用中的安全性和有效性。未来，随着研究的不断深入，这些成果有望为骨缺损患者带来更好的治疗方案，让他们重新拥有健康、坚固的骨骼。
