上海理工大学何星团队研究成果：离子掺杂羟基磷灰石在成骨修复中的研究进展
引言
骨缺损修复是临床与生物材料领域的重点。自体骨移植虽为“金标准”，但存在供体有限、手术创伤等问题；而异体骨与合成材料则面临免疫排斥、感染及成骨活性不足等挑战。因此，开发兼具良好生物相容性、可控降解性和主动成骨诱导活性的理想骨修复材料成为重要方向。
羟基磷灰石（HA）因与天然骨矿物组成及结构高度相似而被广泛应用，但其自身存在降解速率慢、力学性能有限（脆性大）、生物活性相对惰性等缺陷，限制了其在复杂骨缺损修复中的应用。
为克服这些局限，离子掺杂策略被提出。该策略通过在HA晶格中引入功能离子（金属阳离子如Mg²⁺、Sr²⁺，或非金属阴离子如SiO₄⁴⁻、CO₃²⁻），在不破坏主体结构的前提下，有效调控其物理化学性质和生物响应性能，从而提升成骨活性，甚至赋予抗菌、促血管生成等多重功能。本文旨在系统综述离子掺杂HA的研究进展。
一、研究背景
当前，大段或复杂骨缺损无法自愈，需借助外源性骨替代材料。HA作为主流生物陶瓷材料，虽与骨结合良好，但其较慢的降解速率难以匹配骨再生速度，且缺乏对细胞行为的主动调控能力。传统的材料改性方法在综合提升生物活性方面存在瓶颈。
离子掺杂作为一种从分子和晶体结构层面进行“功能化”改性的核心策略，为解决上述问题提供了新思路。不同于简单的表面修饰或复合，离子掺杂通过进入HA晶格内部（取代Ca²⁺、PO₄³⁻或OH⁻位点），从根本上改变材料的晶格参数、表面电位、溶解性和离子释放行为。这使其不仅能模拟天然骨组织中本就存在的微量元素环境，更能作为一种“智能”离子库，在植入部位持续、可控地释放生物活性离子，从而动态调节局部微环境，精准促进成骨相关细胞的黏附、增殖、分化，并激活关键的成骨信号通路。
因此，系统研究不同离子的作用机制、优化掺杂方法与工艺、并阐明其在复杂生理环境中的行为，对于推动高性能、功能化骨修复材料的临床转化具有重要的理论和实践意义。文章基于上海理工大学何星团队研究成果及国家自然科学基金项目支持。
二、创新亮点
（1）多功能的离子工具箱与协同设计
超越单一成骨功能：研究不再局限于提升HA的骨传导性，而是通过引入特定离子，赋予材料抗菌（如Zn²⁺、Ag⁺、F⁻）、抗炎（如Ce³⁺、La³⁺）、促血管生成（如Cu²⁺、Mn²⁺） 等多重生物学功能，为复杂感染性或血供不佳的骨缺损提供一体化解决方案。
多离子共掺杂的协同效应：最新趋势是进行多离子共掺杂（如Sr–Mg、Zn–Si、Sr–Si共掺杂），旨在综合不同离子的优势，产生“1+1>2”的协同效果。例如，有研究设计出Sr²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、CO₃²⁻和SiO₄⁴⁻这5种离子共掺杂的HA纳米棒阵列，在化学组成上高度模拟天然骨基质，实现了成骨促进与长期免疫调控的结合。
（2）作用机制的深度揭示
从现象到信号通路的深入：研究不仅停留在观察离子掺杂对细胞行为的促进（如增殖、分化），更深入探讨其分子机制。文章指出，Sr²⁺可通过上调BMP-2表达激活BMP/Smad通路；Mg²⁺和Zn²⁺能激活Wnt/β-catenin通路；Cu²⁺可激活HIF-1α通路促进血管生成。这表明离子掺杂HA具备了 “主动调控”细胞命运与分子信号的能力。
（3）制备方法的多样化与精细化
方法学上的丰富：领域内发展出多种制备策略以适应不同需求，包括操作简便的湿化学沉淀法、可实现分子水平均匀掺杂的溶胶+凝胶法、能制备高结晶度纳米结构的水热法、适合工业化生产的固相法、高效节能的微波辅助法，以及用于制备涂层的喷雾干燥与沉积类方法。
性能的可控调节：通过精确调控这些方法的工艺参数（如pH、温度、前驱体比例、热处理条件），可以实现对掺杂HA的晶粒尺寸、结晶度、形貌、离子分布均匀性及释放动力学的精细控制。
三、图文展示
图1 离子掺杂HA的制备方法：湿化学法；溶胶-凝胶法；水热法；固相法；微波辅助法；喷雾干燥与沉积类方法
Fig.1 Preparation Methods for Ion-Doped HA: Wet chemical method; Sol-gel method; Hydrothermal method; Solid-state method; Microwave-assisted method; Spray drying and deposition methods
图2 (a) HA六方晶体结构中Ca1、Ca2、PO4³⁻及OH⁻基团的原子排列c轴投影；(b) 其经离子置换后的改性结构；(c) HA原子结构[26]
Fig.2 (a) The c-axis projection of the atomic arrangement of Ca1, Ca2, PO43-, and OH- groups in the hexagonal crystal structure ofHA; (b) its modification by ionic substitutions; and (c) atomic structure of HA[26]
图3 离子掺杂HA的优势与挑战
Fig.3 Advantages and challenges of ion-doped HA
四、结论
离子掺杂是显著改善羟基磷灰石（HA）成骨修复性能的有效策略。通过引入功能性离子，不仅能优化HA的理化性质（如溶解速率、表面能），更能主动调控其生物学行为，促进成骨细胞的黏附、增殖与分化，并具备抗菌、抗炎、促血管生成等多重功能，为骨缺损修复提供了更全面的解决方案。
尽管优势显著，离子掺杂HA在实际应用中仍面临关键挑战：一是，制备与结构方面。不同离子半径与价态差异可能导致晶格畸变或副相生成，影响材料稳定性；现有工艺在掺杂均匀性、重复性及规模化方面仍有不足。二是，性能调控方面。离子释放速率难以精确控制，过快可能引起细胞毒性，过慢则无法发挥功效。三是，机理与安全方面。多离子共掺杂体系中复杂的协同与拮抗机制尚未完全明晰；材料的长期体内代谢行为与生物安全性评价体系有待完善。
未来研究应注重机制研究与工程应用的融合。一是，基础研究方面。利用计算模拟、原位表征等技术，深入揭示离子掺杂的晶格替代行为及其对性能的本源影响。二是，技术开发方面。探索可编程离子释放、多离子定比调控、与生物因子协同负载等新型掺杂策略，实现功能的精细化调控。三是，临床转化方面。建立更符合临床病理环境的评价体系，并开展系统的长期体内实验与大量动物实验，这是推动其走向临床应用的关键。
五、引用本文
文章发表于《功能材料》2026年第57卷第6期，欢迎引用本文：
李子龙,曾琪琪,欧嘉玲,等.离子掺杂羟基磷灰石在成骨修复中的研究进展[J].功能材料,2026,57(6):55-61.
LI Z L,ZENG Q Q,OU J L,et al.Research progress on ion-doped hydroxyapatite in osteogenic repair[J].Journal of functional materials,2026,57(6):55-61.
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