赋予可降解骨支架整合的生物适配性能、三维联通结构和生物学功能是调动骨组织再生潜力重塑骨缺损的重要前提。近日，华科魏青松、郭晓东、陈莉莉团队提出材料-结构-功能一体化增材制造策略（MSFI-AM），所制备锌合金骨支架具有适配的力学退化行为与体内体外生物学功能，展现出良好临床转化前景。相关工作以“Material–Structure–Function Integrated Additive Manufacturing of Degradable Metallic Bone Implants for Load-Bearing Applications”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。魏青松、郭晓东和陈莉莉教授为论文共同通讯作者，赵丹雷、於可达和孙亭方为论文共同第一作者。
组织再生医学基于可降解骨支架能够实现骨骼二次再生，但需同时满足力学与降解行为、宏观拓扑结构、生物学功能三方面要求。在前期研究工作基础上（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、郭晓东和陈莉莉教授团队提出材料-结构-功能一体化（MSFI）增材制造策略制备可降解锌合金骨支架。增材制造的原位合金化与界面工程赋予锌合金良好的力学性能。与此同时，降解产物具有力学自增强效应，调控力学退化行为提高力学适配性。进一步，MSFI锌合金骨支架成功展现出原位生物学多功能，包括成骨、免疫调控、成血管和抗菌活性。持续降解释放的二价金属阳离子与三周期极小曲面结构协同促进骨再生增强骨整合。
图1 材料-结构-功能一体化增材制造锌合金骨支架示意图
调控骨支架力学退化行为适配骨骼再生周期对于临床应用十分关键，进而避免骨支架过早坍塌或长期植入引起副作用，同时骨支架需要具有调控再生微环境加快骨重建的能力。本文首先利用原位合金化构筑界面工程，基于晶界强化、位错强化和固溶体强化机制提高锌合金力学性能。进而，利用激光增材制造微熔池强对流促进元素Mg和Cu元素均匀扩散，构筑Zn-Mg/Cu-Zn双重微电池，实现均匀降解。在降解过程中，自发形成的降解层(Zn5(OH)8Cl2·H2O)能够在降解初期实现力学自增强，从而避免骨修复初期力学性能的过快退化。MSFI锌合金骨支架在4周降解后，力学强度可媲美纯铁骨支架，且具有更为适配的降解速率。
在生物学功能方面，Cu离子主要负责提供抗菌与成血管活性，Mg离子负责调控免疫与成骨相关基因表面，塑造良好的免疫与成骨微环境。骨支架的三周期极小曲面结构的表面曲率将增强成骨细胞骨架收缩，高比表面积与高渗透率能够促进骨传导与骨长入。因此，改善的骨再生可归因于二价金属阳离子释放与三维联通结构的协同作用。MSFI锌合金骨支架在承重骨缺损应用中具有临床转化前景，同时本文提出一种赋予可降解骨支架生物适配性能、三维结构和生物学多功能的整合策略。
本项研究工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2021YFC2400400）国家自然科学基金（项目编号：52275333，82072446，81873999，81902219）、博士后科学基金特别资助（2022TQ0110）等项目的支持。
图2 MSFI锌合金骨支架降解行为适配、力学性能增强与生物学多功能机制图
