賦予可降解骨支架整合的生物適配性能、三維聯通結構和生物學功能是調動骨組織再生潛力重塑骨缺損的重要前提。近日，華科魏青松、郭曉東、陳莉莉團隊提出材料-結構-功能一體化增材制造策略（MSFI-AM），所制備鋅合金骨支架具有適配的力學退化行為與體內體外生物學功能，展現出良好臨床轉化前景。相關工作以“Material–Structure–Function Integrated Additive Manufacturing of Degradable Metallic Bone Implants for Load-Bearing Applications”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。魏青松、郭曉東和陳莉莉教授為論文共同通訊作者，趙丹雷、於可達和孫亭方為論文共同第一作者。
組織再生醫學基于可降解骨支架能夠實現骨骼二次再生，但需同時滿足力學與降解行為、宏觀拓撲結構、生物學功能三方面要求。在前期研究工作基礎上（Acta biomaterialia, 2022, 153: 614-629；Additive Manufacturing, 2022, 60: 103256；Additive Manufacturing, 2021, 47: 102223；Materials Science and Engineering: C, 2020, 111: 110784.），魏青松、郭曉東和陳莉莉教授團隊提出材料-結構-功能一體化（MSFI）增材制造策略制備可降解鋅合金骨支架。增材制造的原位合金化與界面工程賦予鋅合金良好的力學性能。與此同時，降解產物具有力學自增強效應，調控力學退化行為提高力學適配性。進一步，MSFI鋅合金骨支架成功展現出原位生物學多功能，包括成骨、免疫調控、成血管和抗菌活性。持續降解釋放的二價金屬陽離子與三周期極小曲面結構協同促進骨再生增強骨整合。
圖1 材料-結構-功能一體化增材制造鋅合金骨支架示意圖
調控骨支架力學退化行為適配骨骼再生周期對于臨床應用十分關鍵，進而避免骨支架過早坍塌或長期植入引起副作用，同時骨支架需要具有調控再生微環境加快骨重建的能力。本文首先利用原位合金化構筑界面工程，基于晶界強化、位錯強化和固溶體強化機制提高鋅合金力學性能。進而，利用激光增材制造微熔池強對流促進元素Mg和Cu元素均勻擴散，構筑Zn-Mg/Cu-Zn雙重微電池，實現均勻降解。在降解過程中，自發形成的降解層(Zn5(OH)8Cl2·H2O)能夠在降解初期實現力學自增強，從而避免骨修復初期力學性能的過快退化。MSFI鋅合金骨支架在4周降解后，力學強度可媲美純鐵骨支架，且具有更為適配的降解速率。
在生物學功能方面，Cu離子主要負責提供抗菌與成血管活性，Mg離子負責調控免疫與成骨相關基因表面，塑造良好的免疫與成骨微環境。骨支架的三周期極小曲面結構的表面曲率將增強成骨細胞骨架收縮，高比表面積與高滲透率能夠促進骨傳導與骨長入。因此，改善的骨再生可歸因于二價金屬陽離子釋放與三維聯通結構的協同作用。MSFI鋅合金骨支架在承重骨缺損應用中具有臨床轉化前景，同時本文提出一種賦予可降解骨支架生物適配性能、三維結構和生物學多功能的整合策略。
本項研究工作得到了國家重點研發計劃（項目編號：2021YFC2400400）國家自然科學基金（項目編號：52275333，82072446，81873999，81902219）、博士后科學基金特別資助（2022TQ0110）等項目的支持。
圖2 MSFI鋅合金骨支架降解行為適配、力學性能增強與生物學多功能機制圖
