氧化锌-磷酸三钙生物材料的微观结构、硬度与细胞活性调控：氧化镁掺杂的关键作用

这篇研究首次系统探讨了氧化镁(MgO)掺杂对1 wt%氧化锌-磷酸三钙(1Z-TCP)生物材料性能的调控作用。通过固相反应烧结技术，成功制备了MgO含量0.125-1.0 wt%的1Z-xM-TCP材料，揭示了Mg2+掺杂可显著提升β-TCP相稳定性（85 wt% β-TCP），优化力学性能（硬度3.2 GPa，杨氏模量35-75 GPa），并证实材料具有优异的体外生物活性（Ca/P=1.56的缺钙羟基磷灰石沉积）和细胞相容性（MG63细胞增殖率>100%），为骨修复材料的定制化设计提供了新策略。

　　

1 引言

磷酸三钙(TCP)作为骨修复领域的重要生物陶瓷，其高溶解率与机械强度不足制约了临床应用。研究聚焦于通过ZnO和MgO双掺杂解决这一瓶颈——Zn²⁺可刺激成骨细胞分化（提升碱性磷酸酶活性），而Mg²⁺（占骨组织0.6 wt%）能稳定β-TCP相至1350°C。创新性地设计1Z-xM-TCP体系（x=0.125-1.0 wt%），旨在协同调控材料降解速率与生物响应。

2 材料与方法

采用NH₄H₂PO₄/CaCO₃固相反应制备粉体，经900°C预烧后，在1350°C烧结12小时获得致密陶瓷（密度>97%）。通过XRD-Rietveld精修定量α/β-TCP相变，FE-SEM观察微观结构演变，Vickers压痕测试力学性能。体外实验采用模拟体液(SBF)浸泡4周，结合ICP-OES分析离子释放；细胞实验采用MG63成骨样细胞，通过CCK-8法和CLSM评估细胞活性与形貌。

3 结果与讨论

3.1 物相与微观结构

MgO掺杂使β→α相变温度从1165°C升至1350°C（DTA验证）。1Z-1M-TCP获得85 wt% β-TCP，晶格参数收缩（XRD峰位右移），证实形成Zn_xMg_yCa_(3-x-y)(PO₄)₂固溶体。FE-SEM显示α-TCP呈细小颗粒（1-3 μm）分布于β-TCP基体（15-50 μm多边形晶粒），随MgO增加形成连续β相网络。

3.2 力学性能

1Z-TCP（65 wt% α相）硬度最高（3.2 GPa），而1Z-1M-TCP（85 wt% β相）杨氏模量（~50 GPa）更接近人骨（10-30 GPa）。这种"高强-低模"组合归因于β相开放结构与α相致密化的平衡。

3.3 生物活性

SBF中4周后，低MgO样品（1Z-0.125M）呈现快速Ca²⁺释放（+40%），而1Z-1M-TCP表现出缓释特性。所有材料表面均形成缺钙HAp（Ca/P=1.56），其中1Z-0.5M-TCP覆盖度最佳（FE-SEM显示均质纳米球状沉积）。

3.4 细胞响应

关键发现包括：

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  离子安全阈值：Zn²⁺（LD₅₀=150 μM）远高于材料释放量（0.015 mg/L），Mg²⁺（LD₅₀=85 mM）具有促增殖效应（0.5 mM时活性+15%）

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  直接接触实验：1Z-TCP组细胞密度较纯TCP提高2倍（CLSM显示铺展伪足），但MgO>0.5 wt%时增殖速率略有下降

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  间接培养：材料浸提液使细胞活性维持>90%，证实降解产物无细胞毒性

4 结论

该研究建立了"组成-结构-性能"的精准调控模型：MgO含量每增加0.25 wt%，β-TCP比例提升20%，降解速率降低15%。1Z-0.5M-TCP展现出最优综合性能（硬度2.8 GPa，HAp沉积速率1.2 μm/week，细胞增殖率120%），为骨缺损修复提供了可定制的新型材料体系。未来工作可探索多孔支架构建及体内成骨效应。