北科大王魯寧教授團(tuán)隊(duì):仿皮質(zhì)骨力學(xué)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(nèi)聯(lián)通的微孔結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的力學(xué)性能而受到越來越多的關(guān)注。盡管先前已有報(bào)道指出AM鋅合金多孔支架能夠匹配松質(zhì)骨的力學(xué)性能，但匹配皮質(zhì)骨的力學(xué)性能仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，北京科技大學(xué)李亞庚副教授與學(xué)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(shù)制備Zn-3Mg合金，并將其與純鋅進(jìn)行了對(duì)比。AM Zn-3Mg合金展現(xiàn)了顯著細(xì)化的晶粒和交錯(cuò)的α-Zn/Mg2Zn11獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)心Zn-3Mg樣品的壓縮性能遠(yuǎn)超其拉伸性能，壓縮屈服強(qiáng)度高達(dá)601 MPa，極限應(yīng)變超過60%。基于此，作者設(shè)計(jì)并制造了具有實(shí)心內(nèi)核的功能梯度多孔結(jié)構(gòu)，在整體孔隙率保持60%的條件下達(dá)到了模擬皮質(zhì)骨的力學(xué)性能，包括壓縮屈服強(qiáng)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(diào)整AM工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)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(qiáng)的MC3T3細(xì)胞成骨行為�？傮w而言，這些結(jié)果標(biāo)志著AM多孔可生物降解金屬在仿皮質(zhì)骨力學(xué)性能方面邁出了關(guān)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(yīng)用價(jià)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(xì)胞活死染色結(jié)果, (b) 不同濃度浸提液培養(yǎng)14，21天后MC3T3細(xì)胞ALP染色結(jié)果, and (c) 不同濃度浸提液培養(yǎng)21天后MC3T3細(xì)胞AR染色結(jié)果。

圖3 增材制造功能梯度 Zn-3Mg 支架的性能評(píng)價(jià)：(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(yīng)力-應(yīng)變曲線，(h，i) 支架的體外降解行為，(j) MC3T3細(xì)胞活性， (k-n) 活/死染色結(jié)果。

圖4 增材制造功能梯度Zn-3Mg支架的力學(xué)性能：(a) 屈服強(qiáng)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(xiàn)。