综述：连接研究与应用的桥梁：锌基合金作为下一代可生物降解骨科植入材料

《Advanced Materials》：Bridging Research and Application: Zn-Based Alloys as Next-Generation Biodegradable Orthopedic Implants

本综述系统评述了锌（Zn）基合金作为下一代可生物降解骨科植入材料的潜力，重点探讨了其在生物相容性、降解行为、力学性能及与宿主细胞相互作用方面的优势与挑战（如机械不稳定性、阈值依赖性生物活性等），并展望了通过材料工程方法优化性能以推动临床转化的前景。

　　

Abstract

骨科植入物为手术成功提供结构支撑、负荷承载或运动保留功能。锌（Zn）基合金因其适宜的降解速率、优异的力学性能、抗菌活性和完全可降解性，已成为下一代骨科植入物的有希望候选材料。然而，其临床应用受到显著限制，包括机械不稳定性、阈值依赖性生物活性、抗菌与成骨效应之间的不平衡以及应力诱导降解的变异性。本综述总结了锌基合金用于骨科植入物的可行性，重点关注生物相容性、生物降解行为、力学性能以及与宿主细胞的相互作用。同时讨论了改性锌基材料性能的工程方法，并强调了其转化应用，同时指出了未来研究尚存的挑战。总之，推进锌基合金的研究将为增强患者预后的创新骨科解决方案铺平道路。

引言：骨科植入物的挑战与锌基合金的机遇

骨科植入物在修复骨骼损伤、提供机械支撑方面发挥着关键作用。传统永久性金属植入物（如钛合金、不锈钢）存在应力遮挡、二次手术取出等问题。可生物降解金属，如镁（Mg）基和铁（Fe）基合金，提供了替代方案，但分别面临降解过快和过慢的挑战。锌（Zn）作为一种必需微量元素，其标准电极电位（-0.762 V_SHE）介于镁（-2.372 V_SHE）和铁（-0.447 V_SHE）之间，预示着其具有更为适中的体内降解速率，使其成为极具吸引力的下一代可降解骨科植入材料。

锌基合金的优势特性

锌基合金的核心优势在于其平衡的性能组合。首先，其降解速率理想，既能保证植入初期的力学支撑，又能在组织愈合后逐渐降解吸收。其次，锌基合金展现出良好的力学性能，通过合金化（如添加Mg、Sr、Cu等元素）和加工工艺（如热挤压、等径角挤压ECAP）可使其强度、塑性和韧性满足承重骨骼的要求。第三，锌离子（Zn²⁺）的释放赋予材料固有的抗菌活性，有助于预防植入物相关感染。此外，锌是多种酶和转录因子的辅因子，参与骨骼代谢，对成骨细胞活性和骨形成具有促进作用。

临床应用面临的主要挑战

尽管前景广阔，锌基合金的临床转化仍面临几大瓶颈。机械不稳定性：在降解过程中，材料的力学完整性会逐渐丧失，可能导致过早失效。阈值依赖性生物活性：锌离子在低浓度下促进成骨，但超过一定阈值则可能产生细胞毒性，抑制成骨。抗菌与成骨效应的平衡：实现强效抗菌的同时不损害周围骨细胞的活性是一大难题。应力诱导降解的变异性：在复杂的体内力学环境中，应力会显著加速局部腐蚀（如应力腐蚀开裂SCC），导致降解行为难以预测和控制。

性能优化的工程策略

为克服上述挑战，研究者们采用了多种材料工程方法。合金设计：通过精心选择合金元素（如Mg、Sr、Cu、Ag）及其含量，可以精细调控降解速率、力学强度和生物活性。表面改性：在锌基合金表面构建涂层（如磷酸钙涂层、聚合物涂层）是控制初期降解速率、改善生物相容性和赋予特定功能（如药物释放）的有效途径。先进制备工艺：采用粉末冶金、增材制造（3D打印）和 severe plastic deformation (SPD) 技术，可以制备出具有细晶组织和各向同性性能的复杂结构植入物。

转化应用与未来展望

锌基合金在骨钉、骨板、多孔支架等骨科器械中展现出巨大的应用潜力。多孔支架结构有利于骨组织长入和营养输送，其力学性能可通过孔隙率进行调节。未来的研究重点应集中于：深入理解锌离子在骨微环境中的代谢途径和信号通路（如BMP/Smad、Wnt/β-catenin）；开发智能响应型材料，使其降解和生物活性能够与愈合过程相匹配；开展大规模的长时期动物实验和临床试验，以验证其安全性和有效性。通过跨学科合作，锌基合金有望成为推动骨科植入物革新、改善患者生活质量的关键材料。

Conflict of Interest

The authors declare no conflict of interest.