基于生物矿化原理诱导氧化钇稳定的氧化锆在胶原纤维内部定向、有序沉积

氧化锆类陶瓷,具有优异的机械强度、离子导电性、化学稳定性和光学性能,因此具有重要的商业应用价值。在目前的氧化锆陶瓷制备方法中,基于金属醇盐的水解及缩聚反应的溶胶-凝胶法已被广泛用于制备高纯度的氧化锆粉末和薄膜。具有不同结构特点的有机质与溶胶-凝胶法联合应用可以制备微观宏观结构可控的氧化锆材料。最近有研究采用溶胶-凝胶法,在几丁质支架材料内部引入了纳米氧化锆,但是这种方法所需温度较高(150℃),并不适用在高温下易变性的其他生物支架材料。因此如何调整技术参数,在常温常压下将氧化锆引入有机质内部是构建具有特殊形貌的新型氧化锆材料的关键。

针对该问题美国佐治亚瑞金大学的Franklin Tay教授、第四军医大学的陈吉华教授和牛丽娜博士、华中科技大学的周彬博士及其研究团队借鉴生物硬组织纤维内矿化的原理以胶原纤维为模板,实现了氧化钇稳定的氧化锆在纤维内部的有序沉积,从而构建出具有胶原纤维三级结构特点的新型氧化锆材料

I型胶原是生物硬组织的主要有机质,具有三级分级结构和良好的生物相容性,而被广泛用作制备具有三维分级结构的有机-无机混合材料的生物模板。牛丽娜博士在该领域进行了深入探索,借鉴生物矿化原理先后实现了羟基磷灰石晶体及二氧化硅在胶原纤维内部的沉积,构建出具有多级分级结构的有机-无机复合材料。相关研究成果已在Angewandte Chemie、Biomaterials等杂志上发表多篇论著。

这一仿生矿化技术可以简单概括为在仿生矿化类似物的参与下,无机矿物质前体以无定形的液体状态,从环境中选择性地吸附、渗透并沉淀在胶原纤维内部微间隙的过程。可是这一仿生矿化过程是否适合于非生物矿物,如氧化锆呢?为了解决这一问题,该团队首先通过调整抑制剂乙酰丙酮的浓度制备了氧化钇稳定的氧化锆纳米液相前体(前体的液体状态有利于其对有机模板内部间隙的渗透);随后使用聚丙烯氯化铵对胶原纤维有机模板进行预处理,从而促进液相矿物质前体对胶原纤维的粘附;液态无定形矿物质前体进一步扩散进入胶原纤维内部,并以这些纤维内间隙为模板,在聚丙烯氯化铵及胶原纤维内部特殊位点的参与下逐步缩聚,由无定形液态状态转化为固态;最后,这种复制了胶原纤维分级结构特点的无定形氧化锆在煅烧后转化为氧化钇稳定的四角形氧化锆晶体。该研究不仅为构建具有特殊形貌结构的氧化锆材料提供了新的思路,还证明这种生物矿化原理的普遍适用性,从而拓宽了仿生矿化技术的应用范围。