从稳定性角度揭示离子掺杂对磷酸钙材料的影响机制将有力推动掺杂改性策略的发展。本研究以生物磷灰石前驱相磷酸八钙作为模型，发现不同电荷和半径的离子掺杂会在不同程度和相反方向上改变材料的热稳定性，并通过介导材料的表面特性和离子释放协同调控其成骨活性。本研究为理解离子掺杂改性机制和开发生物活性磷酸钙材料提供参考依据。

01、研究内容简介

基于对骨矿物仿生的理解，通过引入微量掺杂剂或外源离子来调控材料的各种性能已成为当前磷酸钙骨修复材料研发的核心内容之一。广泛研究显示，掺杂具有不同功能的生物活性离子会影响材料的结构稳定性和生物活性。然而，目前尚缺乏关于离子掺杂调控磷酸钙材料性能规律的比较研究，而且很少从结构稳定性的角度开展详细的研究，对离子掺杂改性策略的理解仍较为有限。磷酸八钙（OCP）是生物磷灰石的重要前驱相之一，具有可控的亚稳态特性，是探讨离子掺杂对磷酸钙材料稳定性影响规律的绝佳模型。华南理工大学叶建东教授课题组在前期比较研究了不同电荷（即价态）和半径的离子（Fe3+和Sr2+）对OCP形成与结构的影响，揭示了两种离子在OCP结构中对复杂Ca2+位点的替代规律，但对掺杂改性材料的结构特性和细胞生物学性能的关系仍有待深入详细阐明。本研究创新性地从热稳定性的角度比较研究了磷酸钙材料的离子掺杂改性策略，探索建立离子掺杂磷酸钙材料的构效关系，对高生物活性磷酸钙骨修复材料的研发具有指导意义。

本研究首先研究了Fe3+或Sr2+掺杂OCP材料（Fe-OCP和Sr-OCP）的热失重行为，其过程可分为三个阶段（Fig. 1）：(I) 40-100oC，可逆脱水阶段；(II) 110-210oC，不可逆脱水阶段；(III) 210-280oC，相转变阶段。离子掺杂改变了OCP的结构稳定性，尤其体现在不可逆热失重阶段。

Fig. 1 The thermostability of OCP was affected by the ionic doping. TG-DTG plots of undoped OCP, Fe-OCP, and Sr-OCP.

随着温度的升高，OCP(100)晶面的特征衍射峰逐渐分裂出肩峰，且其强度随磷灰石特征峰的出现而逐渐减弱甚至消失，相应的板片晶体逐渐分解成细微片晶（Fig. 2）。该热失重脱水过程主要改变了OCP晶体的水合层结构，形成新的“坍缩”型结构，该结构特征与磷灰石的相近，极易转化为类羟基磷灰石相。Fe-OCP和Sr-OCP呈现出截然相反的稳定性变化趋势：相比于纯OCP，Fe-OCP的热失重率更低，这源自于Fe-OCP晶体表面的纳米磷酸铁盐沉积，掩盖了Fe-OCP低稳定性的事实；而Sr-OCP的良好稳定性则直接证实了关于锶可作OCP晶体稳定剂的理论研究报道。

Fig. 2 Heat treatments significantly altered the morphology of OCP samples. SEM images of undoped OCP, Fe-OCP, and Sr-OCP heat-treated at different temperatures. Scale bar = 20 μm.

“坍缩”型OCP结构的形成造成了水合层缺陷，诱使磷灰石层暴露出来，与周围介质的相互作用更活跃，激活了晶体的表面层结构，在一定程度上改变了产物的表面理化特性，进而介导了相应的蛋白吸附性能（Fig. 3）和细胞黏附铺展性能（Fig. 4）。在离子掺杂情况下，材料的热稳定性差异直接影响了热处理产物的活性：Fe-OCP较不稳定，其表面呈现更强活跃度，促进了蛋白吸附和细胞黏附以及相关的整合素基因表达；而Sr-OCP相对更稳定，其表面更惰性，其产物的活性整体上变化不显著。

热处理不仅诱发OCP材料表层的缺陷，还促进了材料-介质界面区离子的吸收与释放。“坍缩”型OCP晶体的水合层结构缺陷还可为离子交换提供更有利和更活跃的通道。释放出的活性离子（如Ca2+、Fe3+、Sr2+等）已被证实具有良好的成骨活性。热处理通过改变材料的表面活性和离子释放行为介导了细胞的增殖和成骨分化（Fig. 4）。值得注意的是，热处理可提高Fe-OCP的表面活性，但会导致早期Fe3+释放和部分纳米磷酸铁盐颗粒的剥离，这在一定程度上会对早期培养阶段的细胞增殖产生副作用。Sr-OCP则更为稳定，热处理对其主要性能无明显影响，但热处理仍可激活其表面，促进其早期活性离子（Sr2+）的释放，从而增强细胞的增殖活性和成骨分化能力。

Fig. 3 Heat treatments significantly altered the surface characteristics and protein behaviors of OCP samples. Surface potentials (a), specific surface areas (c), and proteins adsorption (c, d) on undoped OCP, Fe-OCP, and Sr-OCP heat-treated at different temperatures.

Fig. 4 The improved capacities of adhesion, proliferation, and osteogenic differentiation of BMSCs were determined as cultured with the heat-treated OCP samples. Adhesion-related gene expression (a), proliferation (b) and ALP activity (c) of BMSCs after co-cultured with heat-treated undoped OCP, Fe-OCP, and Sr-OCP, respectively. Data were presented as mean ± S.D., n = 4. * Heat-treated samples compared with the control sample. *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001.

本研究借助热处理手段调控了亚稳态OCP晶体的结构和相转变以及相应的性能关系，首次从热稳定性的角度对比研究了不同电荷和半径的离子掺杂对磷酸钙材料的理化性能和细胞生物学性能的影响机制，对探索离子掺杂改性策略的基础与应用研究具有指导意义。此外，创新性地利用热处理方法显著增强了磷酸钙材料的细胞相容性和成骨活性，该方法尤其对亚稳态钙磷相具有明显的增益效果，可为高生物活性磷酸钙材料的开发提供参考依据。

原文信息

Haishan Shi, Xiaoling Ye, Jing Zhang, Tingting Wu, Tao Yu, Changren Zhou, Jiandong Ye*.

A thermostability perspective on enhancing physicochemical and cytological characteristics of octacalcium phosphate by doping iron and strontium. 

Bioactive Materials 6(2021) 1267-1282.