北科大王鲁宁教授团队:仿皮质骨力学性能的增材制造可降解Zn-Mg共晶合金！

第一作者：郑钰哲，黄成聪
通讯作者：李亚庚副教授，王鲁宁教授
来源：铝高端制造

近年来，增材制造（AM）可生物降解多孔锌合金作为一种有前途的骨替代材料逐渐兴起，因其适中的降解速率、良好的生物相容性、内联通的微孔结构以及优良的力学性能而受到越来越多的关注。尽管先前已有报道指出AM锌合金多孔支架能够匹配松质骨的力学性能，但匹配皮质骨的力学性能仍然是一个巨大的挑战。为了克服这一挑战，北京科技大学李亚庚副教授与学生共同开发了AM Zn-3Mg共晶合金。

作者使用激光粉床熔融技术制备Zn-3Mg合金，并将其与纯锌进行了对比。AM Zn-3Mg合金展现了显著细化的晶粒和交错的α-Zn/Mg2Zn11独特微观结构。实心Zn-3Mg样品的压缩性能远超其拉伸性能，压缩屈服强度高达601 MPa，极限应变超过60%。基于此，作者设计并制造了具有实心内核的功能梯度多孔结构，在整体孔隙率保持60%的条件下达到了模拟皮质骨的力学性能，包括压缩屈服强度超过120 MPa和弹性模量约20 GPa。降解性能方面，Zn-3Mg样品的生物降解速率低于纯锌，并且可以通过调整AM工艺参数进行调节。生物性能方面，与纯锌相比，Zn-3Mg样品还表现出更好的生物相容性，包括更高的代谢活性和增强的MC3T3细胞成骨行为。总体而言，这些结果标志着AM多孔可生物降解金属在仿皮质骨力学性能方面迈出了关键一步，突显了基于AM多孔锌合金的支架在治疗承重骨缺损中的潜在临床应用价值。

图1 增材制造锌合金样品的微观组织分析：(a-d) 打印态纯 Zn 及不同工艺下 Zn-3Mg 合金样品致密度分析，(e-h) 打印态纯 Zn 及 Zn-3Mg 合金样品扫描面光镜下灰白交织的微观组织，（i-k） 纯 Zn 及 Zn-3Mg 合金样品灰白区域的局部微观组织，(l) Zn 及 Zn-3Mg 合金样品 EDS 分析，(m-p) 纯 Zn 及 Zn-3Mg 合金样品建造面光镜下的微观组织，(q-s) Zn-3Mg 合金样品 TEM 分析，(t) Mg2Zn11 第二相的尺寸分布。

图2 体外生物相容性分析：(a) 不同浓度浸提液培养1天后MC3T3细胞活死染色结果, (b) 不同浓度浸提液培养14，21天后MC3T3细胞ALP染色结果, and (c) 不同浓度浸提液培养21天后MC3T3细胞AR染色结果。

图3 增材制造功能梯度 Zn-3Mg 支架的性能评价：(a, b)极小曲面和金刚石功能梯度支架的显微 CT 分析，(c, d) 打印方向和建造方向上样品的反极图面分布图，（e，f）{0001}极图，（g）压缩应力-应变曲线，(h，i) 支架的体外降解行为，(j) MC3T3细胞活性， (k-n) 活/死染色结果。

图4 增材制造功能梯度Zn-3Mg支架的力学性能：(a) 屈服强度与孔隙率，(b) 弹性模量与孔隙率– 数据来自本文工作及文献。