一、生物活性离子诱导骨再生
一些疾病或外伤等常常会引起骨缺损，其治疗涉及诸多理论与技术的难题。目前临床上最常用的骨缺损修复方法包括自体骨或异体骨移植，但这些方法存在供体来源有限、供区损伤、移植骨的形态大小等方面很难满足要求、移植免疫排斥和致病性等缺陷。而一些负载生物活性离子的生物材料参与构建的组织工程骨模型有望克服这些缺点，现将具有刺激新骨生成的活性离子材料总结如下。
锂（Li）离子是骨替代物的新型添加剂，它一方面可以通过抑制糖原合成酶激酶（GSK3）的活性，激活Wnt信号通路从而促进骨合成和骨重构；另一方面，在骨和软骨骨折愈合过程中锂离子能够激活Wnt信号通路中重要的信号转导蛋白β-连环蛋白所介导的T细胞因子（TCF）依赖性转录，从而促进新骨生成。Wang发现在钛合金Ti6Al4V上包裹含锂离子的磷酸钙涂层可有效增加细胞黏附及增殖活力。Li等人证明锂掺杂的磷酸钙骨水泥可以促进成骨细胞增殖分化，同时又可保持其优异的力学性能。
铁（Fe）离子也被证明具有较好的促成骨作用。Zhang等合成的超顺磁性铁掺杂的磷酸钙水泥（Fe-CPC）显示出良好的可注射性和抗压强度，随着铁离子浓度的增加，表面负电荷会持续增加且水合作用加快。在Fe-CPC上培养的小鼠骨髓间充质干细胞（mBMSC）表现出较好的贴壁形态、增殖能力以及成骨分化能力。该材料浸提液通过释放一定量的铁离子可显著提升小鼠骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的增殖速率，但当其浓度超过临界值时，可能会存在一定的细胞毒性。此外，他们还发现铁离子具有诱导成骨和血管新生的作用，因此，Fe-CPC结合了原位自凝、可注射性、超顺磁性、骨生成、血管生成和骨传导性于一体，有望应用于骨重建。
锌（Zn）离子掺杂的磷酸盐玻璃也被认为具有良好的促成骨能力。一方面，锌离子通过提高碱性磷酸酶（ALP）活性，进而促进成骨细胞的增殖以及成骨相关基因的转录，例如胶原-I、ALP、骨调素和骨钙素，从而促进骨形成。其中，ALP活性的增加对骨基质矿化极为重要，它可提高骨生理代谢活性，以促进合成更多胶原。另一方面，锌离子可抑制破骨细胞的生成及其对骨的再吸收作用，从而促进新骨再生。此外，锌离子还具有抗炎抗菌作用，可很好地促进伤口愈合。Calasans-Maia曾经比较过羟基磷灰石（HA）和锌掺杂的羟基磷灰石（ZnHA）对兔胫骨骨修复的影响，与HA组相比，ZnHA组在整个实验期内都没有观察到炎症反应的迹象。而且ZnHA组显示出明显优于HA组的骨再生速度，这表明锌离子增强并加速了与HA有关的成骨作用。
镁（Mg）是人体中含量排名第十的一种元素，人体一半的镁都存在于骨骼中。镁离子对骨骼的影响从日常饮食中就能表现出来：若摄入过多，骨矿物晶体明显变小；若短期缺乏，会引起骨矿物质和钙含量提高；若长期缺乏，则导致骨量减少，胫骨近端成长受到抑制。鉴于此，含镁离子的生物玻璃得到广泛的关注和研究。Zreiqat发现一定浓度的镁离子能够增强骨细胞黏附能力，而且在股骨缺损修复研究中，掺杂有磷酸镁的羟基磷灰石表现出更好的成骨特性。Varanasi发现释放镁离子的生物玻璃浸提液可以促进成骨细胞表达Col I、ALP以及成骨标志物Runx2和骨钙素，从而进一步促进成骨。Park等人将镁离子掺入纳米多孔的钛氧化物表面，结合后其表面形貌和粗糙度基本不变，但从材料中释放出的镁离子可以很好地促进细胞黏附。此外，镁离子的掺入增加了细胞中成骨相关基因以及整合素的高表达。同样，掺杂镁的骨水泥也有类似促进骨再生的性质，且材料初始机械强度高、固化时间短、体内降解速度快，明显优于不掺杂的磷酸钙骨水泥。因此，镁掺杂的材料可以通过增强成骨细胞的黏附和分化来改善骨植入物的生物学活性，帮助骨骼愈合。
锶（Sr）离子作为雷尼酸锶的组成成分，早已用于临床治疗骨质疏松症。研究表明它可以增强前成骨细胞增殖和基质胶原合成，并促进成骨细胞活性，刺激骨基质合成，同时还可抑制骨吸收。锶离子掺杂的生物玻璃通过活化钙敏感受体（CaSR）和其下游信号通路，一方面可刺激成骨细胞活性，另一方面也可诱导破骨细胞凋亡以抑制其功能。值得注意的是，少量的锶离子可显著促进新骨生成，但锶过量会对骨盐沉积有负面影响，原因是它会减少钙吸收，改变矿物性质。Lin等人合成了多孔锶掺杂硅酸钙（SrCS）陶瓷支架并研究了SrCS浸提液离子产物对卵巢缺失大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSC-OVX）成骨分化，以及对人脐静脉内皮细胞（HUVEC）成血管分化的影响。体外研究结果显示，SrCS释放的锶和硅离子可提高细胞活性和ALP活性，增加rBMSC-OVX成骨相关基因表达，并在不添加任何成骨、成血管诱导剂的情况下促进细胞高表达 VEGF。从SrCS浸提液刺激的 rBMSCOVX细胞中可观察到细胞外信号相关激酶ERK和p38信号通路的活化，这些作用又可分别被ERK抑制剂PD98059和p38抑制剂SB203580所阻断。此外，SrCS的离子提取物可以刺激HUVEC增殖、分化和血管生成过程。体内实验表明，SrCS在临界尺寸的OVX颅骨缺损模型中有显著的刺激骨再生和血管生成的作用，这可能是由于SrCS的离子提取物可调节内源性间充质干细胞的成骨分化，同时又可抑制破骨细胞生成，并且促进内皮细胞（EC）的血管生成活性，因此锶离子掺杂有望提高骨植入物的成骨能力。
铜（Cu）离子也被广泛报道可促进间充质干细胞成骨分化。Shi等采用原位一锅法制备了掺杂低氧诱导铜离子的介孔二氧化硅纳米球（MSN）并体外评估了该纳米球的生物学效应。研究发现Cu-MSN可持续释放硅和铜离子，并且具有可控的降解性。Cu-MSN进入人体后会被免疫细胞吞噬，进而促进细胞启动部分促炎因子，通过促进成骨和成血管因子的生成并抑制破骨细胞生成因子的分泌，从而形成有利于成骨的免疫微环境。Cu-MSN通过激活Onostatin M（OSM）诱导的免疫微环境从而促进骨髓间充质干细胞成骨分化。这些结果表明，新型Cu-MSN可作为具有骨刺激能力的免疫调节剂，并应用于骨再生和治疗。此外，铜离子还具有抗炎抗菌作用，这也是用铜离子掺杂的又一大好处。
人体中99%的钙（Ca）都位于骨骼中，与磷酸盐结合，主要以羟基磷灰石的形式存在。Zhou等人在体外实验中证实：低浓度（2～4mmol/L）的钙离子可以促进成骨细胞增殖，中浓度（6～8mmol/L）的钙离子可以促进成骨分化和细胞外基质矿化，但更高浓度（大于10mmol/L）的钙离子却有一定细胞毒性。Bunting通过溶胶-凝胶法用不同质量百分数的钙（0、5%、10%和15%）处理介孔二氧化硅干凝胶，发现5%和10%的钙离子都能刺激细胞增殖，但只有5%的钙能通过活化ALP并激活ERK1/2信号通路来促进成骨相关基因的表达，而15%的钙则会抑制ALP的活性。
越来越多的数据表明，硼（B）是保证人类健康的重要微量元素之一，尤其是对伤口愈合和维持骨骼健康有着重要作用。饮食缺硼的小鼠骨形成能力显著降低，增加硼摄入量则可使其骨矿物质密度显著增加，压缩强度和拉伸骨强度也有所增加。Dzondo-Gadet研究发现硼离子可促进离体的胎盘核合成VEGF和TGF-β等功能性生长因子，这两者都是对新骨形成和伤口愈合有重要作用的蛋白质。Ying等人首次评估了硼离子对人骨髓间充质干细胞成骨分化的影响。他们发现适量硼的引入会促进ALP、骨钙素、Ⅰ型胶原蛋白和骨形态发生蛋白7等成骨基因表达的增加，说明硼离子可以通过刺激人骨髓间充质干细胞增殖分化期成骨分化相关标志物基因的表达来增加成骨效应，因此掺杂硼离子可能成为骨组织工程中增强细胞成骨能力的有效途径。在2015年，Li首次对氮化硼纳米管（BNNT）与间充质干细胞的相互作用进行了研究，结果发现氮化硼纳米管支持间充质干细胞的附着和生长，具有良好的生物相容性。氮化硼纳米管可增加蛋白吸附能力，促进间充质干细胞的增殖，增加间充质干细胞的总蛋白分泌。此外研究还发现氮化硼纳米管可增强碱性磷酸酶（ALP）活性，表明其可以促进间充质干细胞成骨。
为探讨铬（Cr）离子对组织再生的作用，Pabbruwe将铬离子掺杂在氧化铝管中做了一系列研究发现：在正常组织和植入物的界面处细胞活性和骨吸收明显增加，这说明铬离子可显著刺激骨重构。铬是作为固溶体结合到氧化铝中的，因此推测组织响应是表面化学效应而不是显微结构的结果。所以这项工作表明，掺杂少量特定元素的生物惰性陶瓷可显著改变多孔植入物内组织生长、分化和成骨。
研究发现另一种三价金属离子——镓（Ga）离子可以抑制破骨细胞的分化和形成，从而减少破骨细胞的再吸收作用，进而抑制骨吸收。此外，镓离子还具有抗菌效应，即使是低浓度（1mol%）的镓离子也可显著抑制革兰氏阴性菌和阳性菌的生长。
除了以上常见元素之外，部分镧系元素也具有一定的组织再生诱导作用。Diana团队制备出一种钐（Sm）离子掺杂的P2O5强化玻璃HA复合物，发现钐离子的掺杂可促进细胞增殖以及成骨相关基因的表达。此外，钐离子对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌都具有一定的抑菌作用。Coelho研究了镧（La）离子掺杂的P2O5玻璃HA复合物，发现镧离子既可以促进细胞黏附增殖，又能够通过提高ALP活性、骨钙素表达、基质矿化以及成骨相关基因表达来促进成骨分化。此外，该研究团队还讨论了镝（Dy）离子的成骨诱导作用，发现它也可以通过提高ALP表达和细胞外基质矿化来促进成骨分化，同时抑制成脂分化。铈（Ce）离子是另一热门的镧系掺杂元素，Morais通过研究Ce3+掺杂的P2O5玻璃HA复合物发现，Ce3+可促进成骨细胞黏附、增殖，促进成骨相关基因表达，并且抑制革兰氏阳性菌的生长。Coelho指出低浓度（1×10-9mol/L 和 1×10-7mol/L）Ce3+可抑制细胞外基质矿化，中浓度[（1×10-9mol/L）～（1×10-4mol/L）]Ce3+可促进鼠的成骨细胞分化，高浓度（1×10-6mol/L 和 1×10-4mol/L）Ce3+则会诱导细胞调节的矿化过程。
除了镧系离子，还有一些四价及以上的离子也有一定的促进新骨生成的作用，如锰（Mn）离子。锰是人体必需的微量元素，在多种代谢途径和细胞内稳态维持中都起着关键性作用，且在软骨和骨形成中起重要作用。研究报道，锰是必不可少的整合素的配体，并且也是锰超氧化物歧化酶（MnSOD）的组成成分之一，MnSOD可以中和活性氧ROS的生成，从而抑制破骨促进成骨。Pabbruwe研究团队制备得到了掺杂锰离子的氧化铝管，研究发现锰离子的掺杂显著增强了氧化铝管的成骨作用。Yu等人将高锰酸钾引入微弧氧化（MAO）电解质溶液中，从而得到稳定的含锰的二氧化钛涂层。用这种方法合成的含锰二氧化钛涂层有致密的表面，因此有优异的抗腐蚀能力，并可缓慢、持续释放锰离子超过6周。缓释的锰离子改善了二氧化钛涂层的成骨活性和抗菌能力。因此，他们合成的含有锰的二氧化钛涂层结合了成骨和抗菌性能，这为未来生物医学植入物的表面设计提供了更好的思路。
在人体内的骨骼和结缔组织中都能够发现硅（Si）离子的存在，它是硬组织生成和钙化的必需元素，有利于软骨和糖胺聚糖的形成，因此对于骨的形成与维护有着重要的作用。最近的研究发现，可溶的硅离子能显著抑制破骨细胞的形成和活性。Obata等人用静电纺丝法合成了可释放硅离子的超细纤维网络，这种网络是由硅掺杂的球霰石以及聚乳酸杂化构成。由于它们的柔韧性和孔隙率，它们可以形成用于引导骨再生的理想的膜或支架。研究发现，该超细纤维网络在模拟体液中可以提高羟基磷灰石的形成，且它所缓慢释放的微量硅离子可以促进成骨相关细胞增殖，并在活体实验中帮助新骨合成。Vahabzadeh也发现硅掺杂的磷酸钙骨水泥中也具有相似的促成骨特性，硅的掺入不仅不影响最终产物的组成，又可促进新骨形成。
研究表明，钒（V）离子能够促进骨、牙齿矿化，促进成骨细胞增殖分化，增加基质胶原合成。含钒的化合物（如抗坏血酸）可通过激活ALP的活性从而促进成骨分化，最终影响骨形成。Srivastava等人曾对掺入钒在改善骨结构和形态等方面进行研究，发现相比于其他微量元素（铁、锌、铜、钴、锰、铬），钒对成骨细胞分化的诱导作用最强，它可上调碱性磷酸酶活性以及矿化分别达145%和150%之高。因此，钒掺杂的整形外科植入物可以更好地促进骨形成以及骨整合。
钛（Ti）和钛合金经常被用作各类植入物的研发，研究表明钛对新骨再生的作用具有两面性。一方面，大尺寸的钛材料具有很好的骨整合性，可以与骨细胞形成直接的化学、物理键，而不形成纤维组织，因此比较适合作为骨植入物。但是另一方面，小尺寸钛（比如从材料中释放出的钛颗粒和钛离子）则具有一定的骨溶性，将Ti微粒与成骨细胞进行共培养可以发现破骨细胞生成因子的形成增多。同样将Ti微粒与骨髓间充质干细胞进行共培养也可以发现干细胞成骨分化受到抑制，同时白细胞介素-8表达量增加。这都与钛的尺寸及表面积有关。因此，在使用钛合金材料时也要注意钛离子的释放。
还有一种具有促成骨效应的离子是磷（P）离子，它是生物材料中最常见的活性离子之一。据报道磷离子可以通过刺激骨生成中的关键调控因子Gla蛋白的表达从而促进骨形成。
综上，许多生物活性离子从不同角度都能促进新骨生成，而组织工程支架构建过程中究竟需要掺杂何种离子以达到最佳效果则需根据具体需求做进一步分析。