兼具抗菌和组织修复活性的生物材料在再生医学领域具有广阔的应用前景。以光热和磁热为基础的热疗技术都具有抗菌作用, 但光的穿透能力有限, 磁热试剂的热转换效率较低, 限制了其在生物医学领域的应用。本研究合成了Fe₂SiO₄/Fe₃O₄双相复合生物陶瓷粉体, 不仅同时具有良好的光热和磁热效应, 还能有效释放活性的铁和硅酸根离子。用陶瓷粉体与明胶/聚己内酯复合制备的电纺丝膜不仅具有良好的细胞相容性, 而且具有光热和磁热效应。复合膜在相对温和的条件下近红外光(808 nm, 0.36 W·cm^-2)与交变磁场(506 kHz, 837 A·m^-1)同时处理15 min后, 与单独近红外光或磁场热处理相比, 具有更强的细菌抑制活性。因此, 这种集光热、磁热功能于一体且具有细胞相容性的Fe-Si基生物陶瓷及其复合材料在再生医学领域具有潜在的应用前景。

压电材料产生的电信号能够促进成骨细胞增殖分化, 但不具有良好的诱导矿化能力; 生物活性材料在生理环境下能够诱导类骨羟基磷灰石的沉积, 但又不能产生电信号促进成骨。因此, 开发出一种既能产生电信号, 又能诱导矿化沉积的复合生物活性压电材料, 具有重要意义。本研究以钛酸钡为压电组分, 以硅酸钙为生物活性组分, 采用固相烧结法制备了钛酸钡/硅酸钙复合生物活性压电陶瓷, 测试了压电性能, 并用体外矿化实验评价了诱导矿化能力。硅酸钙复合含量达到30%时, 复合陶瓷仍具有一定的压电性能(d₃₃=4 pC·N^-1), 并且能够在模拟体液中诱导磷酸钙沉积。钛酸钡与硅酸钙的复合能够同时具有压电性和生物活性, 为骨修复材料提供了新的选择。

电纺丝支架已被广泛用于组织工程领域, 其中硅酸钙等生物活性陶瓷复合的电纺丝支架, 在应用中展现出了优异的生物活性。硅酸钙复合电纺丝支架中硅酸钙降解释放的硅酸根离子(SiO₃^2-)已被证实具有促进成血管性能, 但其有效活性离子浓度范围比较窄, 仅在0.79~1.8 μg/mL之间。因此精确控制组织工程材料的离子释放浓度, 使材料释放的离子能较长时间保持在有效活性浓度范围, 对于组织工程应用具有重要意义。本研究通过调节电纺丝孔径大小及硅酸钙纳米线的不同复合方式, 制备了多种硅酸钙复合电纺丝纤维支架, 并比较了其在体外环境下的离子释放模式及对人脐静脉内皮细胞的增殖促进作用。实验结果表明, 混纺及同时电喷-电纺复合方式的小孔径硅酸钙复合电纺支架由于高分子的疏水作用和小孔径结构对离子扩散的阻碍, 可以实现离子缓释。通过体外细胞实验发现, 具有离子缓释效果的支架可以更好地促进人脐静脉内皮细胞的增殖, 说明通过调控支架离子缓释, 可以有效调控其生物活性, 获得最佳组织工程应用效果。

同时具有光热效应与组织修复活性的生物材料在再生医学领域具有潜在应用前景。考虑到稀土元素Nd的荧光发光与光热双重特性, 结合钙硅基(Ca-Si)生物材料优异的组织修复活性, 有可能制备多功能组织损伤修复材料。本研究通过在硅酸钙中引入Nd元素, 采用共沉淀方法及800 ℃以上煅烧, 成功制备了Nd-Ca-Si基生物陶瓷粉体(Nd/CS), 并评价了粉体的物相组成、光热和荧光性能; 进一步采用静电纺丝技术制备了陶瓷粉体/高分子复合膜, 并评价了其理化性能与生物学性能。结果显示, Nd/CS陶瓷粉体和复合膜不但具有优异的光热性能与荧光性能, 还具有较好的荧光测温性能。细胞实验证实复合膜具有优良的生物学性能。这种集光热治疗、荧光成像/荧光测温、生物活性功能于一体的Nd-Ca-Si基生物陶瓷及其复合材料有望应用于再生医学领域。

含铜生物材料在高浓度铜离子释放时对细菌有优异的抑制作用, 但同时具有细胞毒性; 而在低浓度铜离子释放时虽然具有良好的细胞相容性, 但其抗菌性能低。因此, 开发一种含铜生物材料, 使其能够在高浓度铜离子释放情况下同时具有优异抗菌性能和良好细胞相容性, 具有重要意义。本研究利用钼和铜之间的拮抗作用原理, 采用溶胶-凝胶法制备了钼掺杂铜硅钙石, 并通过细菌平板实验和细胞活力实验评价了材料的抗菌性能和细胞相容性。实验结果显示, 钼掺杂铜硅钙石释放的高浓度铜离子(高于8.87 μg∙mL ^-1)对金黄色葡萄球菌有良好的抑制性能。同时, 由于铜钼离子的拮抗作用能降低高浓度铜离子对细胞的毒性, 钼掺杂铜硅钙石释放的铜离子在9.65 μg∙mL ^-1的高浓度下依然能保证人脐静脉内皮细胞存活率高达90%。因此, 钼掺杂可以作为含铜生物材料降低其细胞毒性的一种有效途径, 为开发低细胞毒性含铜抗菌生物材料提供了新的路径。

具有大孔结构的多孔微球既可以在体外扩增细胞, 还可以作为细胞的传输工具, 通过注射的方式把细胞输送到需要修复的组织部位。生物玻璃虽然生物活性良好, 但难以直接制备成大孔结构的微载体。因此, 本研究将生物玻璃(BG)与聚乳酸(PLA)高分子复合, 通过复乳法制备了一种含生物玻璃的多孔微球细胞微载体。并通过扫描电镜(SEM)、热重分析(TGA)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)等方法研究分析了微球的形貌、组成和离子释放。通过细胞实验, 证明细胞可以在微球的多孔结构中粘附和增殖, 并且生物玻璃可以促进细胞增殖, 在组织工程中具有潜在应用。