可持续生产骨诱导性Co2+、Mg2+和Mn2+取代磷灰石颗粒：生物源碳酸钙的一锅法转化

《Scientific Reports》：Sustainable production of osteoinductive Co2+, Mg2+ and Mn2+ -substituted apatites particles by one-pot conversion of biogenic calcium carbonate

编辑推荐：为解决水产加工业废弃贝壳资源化难题，西班牙国家研究理事会等团队通过水热法将牡蛎壳转化为金属掺杂磷灰石（Ap）纳米颗粒，成功制备出含Co2+/Mg2+/Mn2+的骨诱导材料。该材料在无成骨诱导培养基条件下显著促进小鼠间充质干细胞（m17.ASC）和成骨祖细胞（mOBPs）的成骨分化，为骨组织工程提供可持续解决方案。

　　研究背景与意义
每年全球约产生1730万吨贝类外壳废弃物，传统填埋处理不仅造成资源浪费，还会引发环境污染。贝壳的主要成分碳酸钙（CaCO₃）是合成羟基磷灰石（HAp）的理想原料，后者因其优异的骨传导性和生物相容性被广泛应用于骨修复。然而，现有HAp合成方法多涉及高温煅烧或强酸处理，不符合绿色化学原则。西班牙国家研究理事会与意大利皮埃蒙特东方大学等团队创新性地开发了一锅水热转化技术，将牡蛎壳转化为金属掺杂磷灰石，同时探索了Mg²⁺、Mn²⁺和Co²⁺的成骨诱导机制，相关成果发表于《Scientific Reports》。

关键技术方法
研究采用200℃水热反应7天，将牡蛎壳源碳酸钙直接转化为金属掺杂磷灰石；通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析晶体结构；利用透射电镜（TEM-EDX）观察颗粒形貌及元素分布；采用流式细胞术和qRT-PCR评估小鼠间充质干细胞（m17.ASC）和成骨祖细胞（mOBPs）的成骨分化潜能；通过碱性磷酸酶（ALP）染色和茜素红染色（ARS）定量矿化能力。

主要研究结果

1. 材料表征：水热法成功制备出含5.3 wt% Co-whitlockite（W）、28.7 wt% Mg-W的复合磷灰石，Mn²⁺样品则未形成W相。FTIR显示所有样品含A/B型CO₃^2-取代，具有仿生磷灰石特征。
2. 细胞相容性：MTT实验证实金属掺杂样品在100 μg/mL浓度下对三种细胞（MS1、m17.ASC、mOBPs）的存活率>70%，符合ISO 10993-5标准。
3. 成骨诱导：qRT-PCR显示金属掺杂样品显著上调BMP2、COL1A1等成骨标志基因；ALP活性检测表明Mg掺杂样品效果最佳；ARS显示矿化结节面积比对照组增加2倍以上。

结论与展望
该研究首次实现贝壳废弃物到骨诱导材料的绿色转化，证实Mg²⁺掺杂样品通过调控BMP2/RANKL通路促进成骨分化。这种可持续策略不仅降低HAp生产成本，还为骨缺损修复提供了免生长因子的解决方案。未来可结合基因载体开发兼具骨诱导与抗炎功能的复合材料。