自體骨移植、同種異體骨移植、異種骨移植等是臨床中骨缺損修復的常見方式，但供體數量不足、增加手術創傷及免疫排斥反應等問題使其應用受限。而人工合成的磷酸鈣陶瓷修復材料的理化結構與天然骨組織相似，其多孔微納米形貌和表面生物活性離子使之具有優異的骨傳導性及骨誘導性，在骨缺損修復治療中有著廣泛的應用前景。

磷酸鈣陶瓷是一種具有良好生物活性、骨傳導性能的生物陶瓷，受到了廣泛的關注。根據鈣磷比例不同，磷酸鈣陶瓷分為羥基磷灰石、磷酸三鈣和雙相磷酸鈣。

羥基磷灰石

羥基磷灰石是鈣磷灰石的天然礦化物質，鈣磷比為1.67，是人體骨骼中主要的無機成分，約占骨骼質量的50%，具有良好的骨傳導性。羥基磷灰石在磷酸鈣陶瓷各種組成中的穩定性最高，溶解度較小。羥基磷灰石和松質骨相似，初期的機械強度較低，在拉伸和剪切的作用下更加脆弱，但抗壓強度可達到100MPa，且具有比骨更高的彈性系數。羥基磷灰石雖然具有較好的強度和細胞吸附能力，但其較差的降解能力不利于材料的吸收和自體骨的長入。

羥基磷灰石的晶體結構

磷酸三鈣

磷酸三鈣的鈣磷比為1.5，鈣磷比低于羥基磷灰石，水溶性高于羥基磷灰石。磷酸三鈣有兩種晶型結構，低溫型(β-TCP)和高溫型(α-TCP)。磷酸三鈣具有良好的成骨和降解能力，但降解速度難以與新生骨相匹配，強度相對較差。磷酸三鈣與羥基磷灰石相似，雖然多孔的結構有益于新生血管重建但缺少初期穩定性，已有實驗證實磷酸三鈣植入后經過多種因素作用部分會轉化成羥基磷灰石，進而影響磷酸三鈣的降解，大部分能在6-24個月后被吞噬吸收，小部分能留存數年。

雙相磷酸鈣

雙相磷酸鈣是由不同比例的高度穩定性的羥基磷灰石和溶解度更高的β-磷酸三鈣組成。雙相磷酸鈣的鈣磷比為1.5-1.67，溶解度和降解能力介于羥基磷灰石和磷酸三鈣之間。通過調整羥基磷灰石/β-磷酸三鈣的比例，結合兩者的優點即高度穩定性和易降解性，達到合適的吸收降解速度同時促進骨骼向內生長。此外雙相磷酸鈣還具有和骨骼相似的化學組成，常用于口腔科和整形外科的臨床應用。

磷酸鈣陶瓷材料的骨誘導性能

早期研究認為磷酸鈣材料僅具有骨傳導性，WELLS于1911年最早發現鈣鹽對成骨有促進作用，URIST于1965年正式提出骨誘導現象，同時發現骨形態發生蛋白具有骨誘導能力，可誘導異位成骨，隨后，大量的實驗也證實未添加生長因子的單純磷酸鈣材料也具有一定的骨誘導性。

1、骨修復材料特性與骨誘導性能

磷酸鈣陶瓷的固有骨誘導性與其多種材料特性緊密相關。為此，研究人員分別從化學組成、孔隙結構、離子環境、表面粗造度、骨樣磷灰石形成、納米結構等方面深入探究以期提高人工替代骨的骨誘導性。實驗數據表明，對骨誘導性影響最大的是材料結構，其次為表面形貌、化學組成。

2、孔隙率與骨誘導性能 

實驗證實，致密的骨陶瓷不能誘導成骨，而多孔鈣陶瓷能顯著誘導體內成骨。孔隙的基本功能是容納細胞生長，提供通道有利于血管的生長，同時充分交換氧氣和營養。

3、溶解度與骨誘導性能 

磷酸鈣陶瓷的溶解度通過影響材料表面的離子濃度來影響蛋白質的吸附。一般情況下，磷酸鈣陶瓷材料較高的溶解度意味著具有較高的骨誘導性，雙相磷酸鈣可以通過調節羥基磷灰石/β-磷酸三鈣的比例達到最適合的表面溶解度，從而使蛋白質的吸附能力達到最優，使骨誘導性能增強。基于大量實驗數據，磷酸鈣陶瓷材料骨誘導性的排序如下：雙相磷酸鈣>β-磷酸三鈣>羥基磷灰石>α-磷酸三鈣。在雙相磷酸鈣不同的比例中發現30%的羥基磷灰石和70%的β-磷酸三鈣能夠促進骨形態發生蛋白2的高表達。

4、宏觀和微觀多孔結構與骨誘導性能 

相關實驗證實了多孔磷酸鈣陶瓷可以誘導骨形成，而致密磷酸鈣陶瓷則不能。多孔支架結構的基本功能是使向內生長的細胞與其相適應，而相互連通孔隙的通道是體液、血管和細胞培養支架的中心，為細胞提供充足的氧氣和營養交換。在單純應用骨誘導材料的情況下，可誘導其攜帶的細胞分化為成骨細胞。

此外，微孔(孔徑<10μm) 在促進成骨中起著至關重要的作用。大孔壁上的微孔不僅有利于滲透體液，而且孔壁的粗糙表面有利于細胞附著和成骨表型的表達。

5、磷酸鈣陶瓷的表面形貌與骨誘導性能 

材料表面形貌對其成骨誘導能力尤為重要，許多報道探索了材料表面形貌對細胞黏附和分化行為的影響。MCMURRAY等制作了不同表面納米形貌的材料，發現納米形貌顯著促進間充質干細胞特異性分化；進一步的研究表明，對稱和隨機的納米陣列均不能誘導成骨分化，而無序的納米陣列可誘導成骨分化，即材料表面形貌調節骨的形成。

6、磷酸鈣陶瓷的納米結構與骨誘導性能 

骨磷灰石由納米級碳酸鈣磷晶體組成，傳統的磷酸鈣陶瓷雖然在一定程度上模仿了骨性成分和多孔結構，但在微觀尺度上存在較大的鈣磷顆粒，這可能會降低多孔磷酸鈣陶瓷的生物性能。從生物仿生的角度來看，納米級的晶體尺寸可以改善磷酸鈣陶瓷的生物性能，骨形成細胞傾向于與生物材料的納米級表面相互作用，促進黏附、增殖和分化。

此外，由于鈣磷納米陶瓷具有高比表面積、納米級表面形貌以及微孔豐富的大孔相互連接等特點，可以有效地啟動和調節細胞活動，從而獲得比傳統磷酸鈣陶瓷更高的體內骨傳導率和骨誘導率。

與骨誘導性能相關的材料學因素示意圖

由此可見，通過優化材料的離子環境、宏微孔結構、形貌特征和納米結構等特性，可以使磷酸鈣陶瓷具有骨誘導性能。這些材料的特性可以直接或間接地影響成骨誘導過程。基于這些結果，通過優化材料的物理化學性能，可以進一步提高磷酸鈣陶瓷的成骨率，有助于更深入和更廣泛地了解材料的成骨機制。

參考文獻:撤回蘆笛,張成,段榮泉等.磷酸鈣陶瓷骨修復材料的骨誘導性能[J].中國組織工程研究,2023,27(07):1103-1109.