賦予可降解骨支架整合的生物適配性能、三維聯(lián)通結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能是調(diào)動(dòng)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(tuán)隊(duì)提出材料-結(jié)構(gòu)-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(xué)退化行為與體內(nèi)體外生物學(xué)功能，展現(xiàn)出良好臨床轉(zhuǎn)化前景。相關(guān)工作以“Material–Structure–Function Integrated Additive Manufacturing of Degradable Metallic Bone Implants for Load-Bearing Applications”為題發(fā)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(dá)和孫亭方為論文共同第一作者。
組織再生醫(yī)學(xué)基于可降解骨支架能夠?qū)崿F(xiàn)骨骼二次再生，但需同時(shí)滿足力學(xué)與降解行為、宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能三方面要求。在前期研究工作基礎(chǔ)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(tuán)隊(duì)提出材料-結(jié)構(gòu)-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(xué)性能。與此同時(shí)，降解產(chǎn)物具有力學(xué)自增強(qiáng)效應(yīng)，調(diào)控力學(xué)退化行為提高力學(xué)適配性。進(jìn)一步，MSFI鋅合金骨支架成功展現(xiàn)出原位生物學(xué)多功能，包括成骨、免疫調(diào)控、成血管和抗菌活性。持續(xù)降解釋放的二價(jià)金屬陽離子與三周期極小曲面結(jié)構(gòu)協(xié)同促進(jìn)骨再生增強(qiáng)骨整合。
圖1 材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化增材制造鋅合金骨支架示意圖
調(diào)控骨支架力學(xué)退化行為適配骨骼再生周期對于臨床應(yīng)用十分關(guān)鍵，進(jìn)而避免骨支架過早坍塌或長期植入引起副作用，同時(shí)骨支架需要具有調(diào)控再生微環(huán)境加快骨重建的能力。本文首先利用原位合金化構(gòu)筑界面工程，基于晶界強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和固溶體強(qiáng)化機(jī)制提高鋅合金力學(xué)性能。進(jìn)而，利用激光增材制造微熔池強(qiáng)對流促進(jìn)元素Mg和Cu元素均勻擴(kuò)散，構(gòu)筑Zn-Mg/Cu-Zn雙重微電池，實(shí)現(xiàn)均勻降解。在降解過程中，自發(fā)形成的降解層(Zn5(OH)8Cl2·H2O)能夠在降解初期實(shí)現(xiàn)力學(xué)自增強(qiáng)，從而避免骨修復(fù)初期力學(xué)性能的過快退化。MSFI鋅合金骨支架在4周降解后，力學(xué)強(qiáng)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(xué)功能方面，Cu離子主要負(fù)責(zé)提供抗菌與成血管活性，Mg離子負(fù)責(zé)調(diào)控免疫與成骨相關(guān)基因表面，塑造良好的免疫與成骨微環(huán)境。骨支架的三周期極小曲面結(jié)構(gòu)的表面曲率將增強(qiáng)成骨細(xì)胞骨架收縮，高比表面積與高滲透率能夠促進(jìn)骨傳導(dǎo)與骨長入。因此，改善的骨再生可歸因于二價(jià)金屬陽離子釋放與三維聯(lián)通結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。MSFI鋅合金骨支架在承重骨缺損應(yīng)用中具有臨床轉(zhuǎn)化前景，同時(shí)本文提出一種賦予可降解骨支架生物適配性能、三維結(jié)構(gòu)和生物學(xué)多功能的整合策略。
本項(xiàng)研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號：2021YFC2400400）國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：52275333，82072446，81873999，81902219）、博士后科學(xué)基金特別資助（2022TQ0110）等項(xiàng)目的支持。
圖2 MSFI鋅合金骨支架降解行為適配、力學(xué)性能增強(qiáng)與生物學(xué)多功能機(jī)制圖
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