北科大王魯寧教授團隊:仿皮質骨力學性能的增材制造可降解Zn-Mg共晶合金！

第一作者：鄭鈺哲，黃成聰
通訊作者：李亞庚副教授，王魯寧教授
來源：鋁高端制造

近年來，增材制造（AM）可生物降解多孔鋅合金作為一種有前途的骨替代材料逐漸興起，因其適中的降解速率、良好的生物相容性、內聯(lián)通的微孔結構以及優(yōu)良的力學性能而受到越來越多的關注。盡管先前已有報道指出AM鋅合金多孔支架能夠匹配松質骨的力學性能，但匹配皮質骨的力學性能仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，北京科技大學李亞庚副教授與學生共同開發(fā)了AM Zn-3Mg共晶合金。

作者使用激光粉床熔融技術制備Zn-3Mg合金，并將其與純鋅進行了對比。AM Zn-3Mg合金展現(xiàn)了顯著細化的晶粒和交錯的α-Zn/Mg2Zn11獨特微觀結構。實心Zn-3Mg樣品的壓縮性能遠超其拉伸性能，壓縮屈服強度高達601 MPa，極限應變超過60%。基于此，作者設計并制造了具有實心內核的功能梯度多孔結構，在整體孔隙率保持60%的條件下達到了模擬皮質骨的力學性能，包括壓縮屈服強度超過120 MPa和彈性模量約20 GPa。降解性能方面，Zn-3Mg樣品的生物降解速率低于純鋅，并且可以通過調整AM工藝參數(shù)進行調節(jié)。生物性能方面，與純鋅相比，Zn-3Mg樣品還表現(xiàn)出更好的生物相容性，包括更高的代謝活性和增強的MC3T3細胞成骨行為。總體而言，這些結果標志著AM多孔可生物降解金屬在仿皮質骨力學性能方面邁出了關鍵一步，突顯了基于AM多孔鋅合金的支架在治療承重骨缺損中的潛在臨床應用價值。

圖1 增材制造鋅合金樣品的微觀組織分析：(a-d) 打印態(tài)純 Zn 及不同工藝下 Zn-3Mg 合金樣品致密度分析，(e-h) 打印態(tài)純 Zn 及 Zn-3Mg 合金樣品掃描面光鏡下灰白交織的微觀組織，（i-k） 純 Zn 及 Zn-3Mg 合金樣品灰白區(qū)域的局部微觀組織，(l) Zn 及 Zn-3Mg 合金樣品 EDS 分析，(m-p) 純 Zn 及 Zn-3Mg 合金樣品建造面光鏡下的微觀組織，(q-s) Zn-3Mg 合金樣品 TEM 分析，(t) Mg2Zn11 第二相的尺寸分布。

圖2 體外生物相容性分析：(a) 不同濃度浸提液培養(yǎng)1天后MC3T3細胞活死染色結果, (b) 不同濃度浸提液培養(yǎng)14，21天后MC3T3細胞ALP染色結果, and (c) 不同濃度浸提液培養(yǎng)21天后MC3T3細胞AR染色結果。

圖3 增材制造功能梯度 Zn-3Mg 支架的性能評價：(a, b)極小曲面和金剛石功能梯度支架的顯微 CT 分析，(c, d) 打印方向和建造方向上樣品的反極圖面分布圖，（e，f）{0001}極圖，（g）壓縮應力-應變曲線，(h，i) 支架的體外降解行為，(j) MC3T3細胞活性， (k-n) 活/死染色結果。

圖4 增材制造功能梯度Zn-3Mg支架的力學性能：(a) 屈服強度與孔隙率，(b) 彈性模量與孔隙率– 數(shù)據(jù)來自本文工作及文獻。