用创新陶瓷材料更健康地衰老

帮助人们尽可能长久地保持健康和活力在全球人口老龄化背景下显得尤为重要。新一代智能陶瓷材料能否增强人体的自愈能力？

一张由明治大学研究人员通过3D培养大鼠骨髓间充质干细胞构建的组织工程骨的扫描电子显微镜（SEM）图像，使用了羟基磷灰石纤维支架来培养细胞。

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通过一些工程蛋白质的帮助，免疫细胞可以被激活以识别和攻击肿瘤细胞。这是癌症治疗中一种新兴方法的基础，该方法涉及从患者体内提取免疫细胞，在实验室中激活它们，然后将其重新注入体内。尽管前景广阔，但由于生产这些蛋白质的成本过高，这种疗法尚未广泛普及。

然而，东京明治大学科学技术学院教授及明治大学国际生物功能材料研究所（MUIIMLF）应用化学家 Mamoru Aizawa 发现，只需将免疫细胞置于微型陶瓷盘上，即可类似地激活它们。在小鼠实验中，他发现陶瓷中的甲硼酸基团与细胞表面结构相互作用，触发信号命令其识别并杀死肿瘤。经过一天的时间，这些激活的细胞在重新注入小鼠体内后有助于缩小肿瘤。Aizawa 将这些材料命名为“免疫陶瓷”，并认为它们可能是昂贵蛋白质的一种替代品。

免疫陶瓷只是 Aizawa 团队在“具有生命功能的材料”研究中的一个例子——旨在与细胞互动以激活生物过程的陶瓷材料。这不仅包括免疫反应，还包括可能影响骨骼形成和组织再生的材料。通过这些陶瓷，研究人员希望推动人体自愈能力的边界。

用于微创治疗的人工骨骼的创建

陶瓷是非金属、无机材料，如粘土和矿物质与水混合，模制成所需形状并在高温下烧结硬化。除了陶器外，它们还用于工业环境，如半导体中因其耐热性和电绝缘性能而被使用。

但医学应用引起了 Aizawa 在学生时代的好奇心。当时刚刚发现羟基磷灰石（钙磷酸盐的矿物形式）可以直接与活体骨骼结合。“羟基磷灰石陶瓷开始在临床环境中用作人工骨骼。我感到非常有趣的是，这些材料可以作为真实骨骼的替代品。” Aizawa 说。

Aizawa 实验室生产的类似糊状物的人工骨骼陶瓷材料。

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这种迷恋最终使 Aizawa 开始研究可降解陶瓷水泥，这是一种可以通过注射器注入受损骨骼的糊状材料。Aizawa 的水泥由可降解的钙磷酸盐陶瓷制成，并与可降解的球形聚合物混合。

通过猪的实验，Aizawa 的团队发现，水泥硬化后，球体会溶解，留下小孔隙。他们发现这些孔隙有助于成骨细胞迁移到材料内部并生成新骨组织，同时促进血管生长。随着陶瓷逐渐被分解和吸收，它们被新生的骨骼所取代。

虽然使用水泥治疗骨骼损伤并非新鲜事，但外科医生通常使用的水泥材料会直接与骨骼结合，但不会被身体吸收。

“这种人工材料将永远留在体内，医生对此感到不安，因为它们可能会成为细菌滋生的温床，导致感染。” Aizawa 说。他认为可降解陶瓷水泥可能是这一问题的解决方案，也具有其他优势。

例如，在骨密度低的老年患者中，他们的脊椎有时会因过度压缩而塌陷。

常见的治疗方法是“椎体成形术”，即外科医生用气球在椎体内创造空间并注入水泥以恢复结构。但常用的水泥是由聚甲基丙烯酸甲酯制成的，与水族馆玻璃相同。Aizawa 表示，这种材料的结构强度对于老年人来说可能是适得其反的，因为它会对注射部位上下脆弱的骨头造成压力损伤。

由于某些孔隙大小更有助于骨形成，Aizawa 的团队继续研究这些孔隙的最佳尺寸。他们还受到水泥硬化时间的限制——在小鼠手术中几乎需要半小时。研究人员发现，添加硫酸钙（用于骨折石膏快速硬化的材料），可以使水泥在15分钟内硬化，从而提高了其实用性。

构建“细胞房屋”

Aizawa 还在研究另一种再生软组织的方法，使用羟基磷灰石纤维创建多孔支架以驱动细胞生长。与水泥不同，支架需要细胞在孔隙内培养，然后再植入体内。

“理论上，支架适用于许多其他器官。您只需更换所培养的细胞类型。” Aizawa 说。除了骨骼，他的团队目前正在研究使用羟基磷灰石纤维支架再生软组织（如肝脏、神经和血管）的潜力。

明治大学东京校区的 Mamoru Aizawa 在实验室中。

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这种方法对于需要移除大块组织的情况（如骨肿瘤切除后）很有前景。目前填充这些大块骨缺损的金标准是移植从患者髋骨采集的骨。但这伴随着二次感染的风险，尤其是在老年患者中。

“目标是开发一种无需移植即可实现相同再生效果的人工材料。” Aizawa 解释道。

这些陶瓷材料的发展得到了人工智能的大力推动。目前专注于骨再生，Aizawa 和合作者 Hiromasa Kaneko（明治大学材料与工艺信息学家）利用 Aizawa 25年的动物植入陶瓷数据建立了预测模型。

该模型基于孔隙率、陶瓷抗压强度和钙离子溶解速率等因素预测骨生长。它还表明，孔隙率和陶瓷抗压强度是最具影响力的因素，这对于优化属性至关重要。除了加快陶瓷设计速度外，机器学习方法还可以减少寻找合适材料属性组合所需的动物实验次数。

Aizawa 的愿望是让具有生命功能的材料延长健康寿命。“随着人们寿命的延长，他们更容易患上肌肉骨骼疾病——最糟糕的情况下，人们会因骨折无法恢复而卧床不起。” Aizawa 说。“但生物陶瓷可能是解决这些问题的一种方法，帮助人们活得更久、更充实。”

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