综述：镁基支架在骨组织工程中的关键评述：性能、生产方法、表面处理及多尺度评估技术

《Smart Materials in Manufacturing》：A critical review of magnesium-based scaffolds for bone tissue engineering: Properties, production methods, surface treatments, and multiscale evaluation techniques

本综述系统评述了镁（Mg）基支架作为骨组织工程（BTE）前沿材料的潜力与挑战。文章聚焦于支架的生产技术（如熔体加工、粉末冶金、增材制造（AM））、表面处理策略（如微弧氧化（MAO）、化学转化）及多尺度评估方法，深入探讨了如何协调其多孔结构、力学性能、降解行为与生物响应之间的复杂关系。作者指出，混合制备技术、自修复涂层及器官芯片等先进评估工具是推动Mg基支架临床转化的关键，旨在实现其降解与骨再生过程的动态匹配。

　　

镁基支架的崛起：骨修复的新希望

骨骼作为人体的承重支柱，其损伤修复是医学领域的重大挑战。传统的自体骨移植和异体骨移植存在供体来源有限、免疫排斥等瓶颈。骨组织工程（BTE）应运而生，其核心是构建能模拟天然骨细胞外基质（ECM）的三维多孔支架。在众多候选材料中，镁（Mg）金属因其优异的生物相容性、可降解性以及与皮质骨相近的力学性能（密度约1.74 g?cm^-3，弹性模量约45 GPa）而脱颖而出。尤其值得一提的是，多孔的Mg基支架不仅能提供细胞生长所需的空间，其降解产物Mg²⁺离子还被证明具有促成骨分化的潜力。然而，Mg的化学性质活泼，在含有Cl^-的生理环境中会快速腐蚀，导致支架过早失去力学支撑并可能因局部pH升高和氢气（H₂）积聚而影响细胞活性。因此，如何精准调控Mg基支架的降解行为，使其与骨组织再生速率相匹配，是实现其临床转化的核心科学问题。

生产技术：从传统工艺到智能融合

制备多孔Mg基支架的技术可谓“八仙过海，各显神通”，主要可分为熔体加工、粉末冶金、物理钻孔和增材制造（AM）等几大类。

熔体加工方法中的负盐模成型法颇具巧思。它先通过烧结氯化钠（NaCl）颗粒制成具有预定孔结构的盐模板，然后让熔融Mg合金渗透进去，待其凝固后，再用碱性溶液（如NaOH）溶解掉盐模板，从而“复制”出多孔Mg支架。这种方法能较好地控制孔的形貌和尺寸，例如使用球形盐粒可获得弯曲的孔韧带，而使用不规则多面体盐粒则得到多边形的孔韧带。研究表明，具有弯曲孔韧带的支架降解更均匀，对孔道连通性的破坏更小。另一种熔体加工技术是钛丝空间支架法，它先用钛丝编织成三维网状预制体，然后进行熔渗，最后用氢氟酸（HF）溶解钛丝。这个过程不仅造了孔，还顺便在Mg基体表面生成了具有保护作用的氟化镁（MgF₂）涂层，可谓一举两得。

粉末冶金法则更像是“粉末的艺术”。它将Mg或合金粉末与可牺牲的空间占位剂（如碳酰胺、碳酸氢铵（NH₄HCO₃））混合，压制成“生坯”，再通过加热去除占位剂并进行烧结。这种方法成本较低，且便于进行合金化改性，例如添加氧化铝（Al₂O₃）颗粒可以显著提高支架的压缩屈服强度（从9.5 MPa提升至13.8 MPa）和刚度。

物理钻孔法则直接利用Mg良好的机械加工性能，通过数控钻床或激光在致密Mg块上直接打出规则排列的孔洞。这种方法获得的孔道均匀、连通性好，但难以构建复杂的三维梯度孔隙结构。

增材制造（AM） 技术，特别是激光粉末床熔融（LPBF），为Mg基支架带来了革命性的变化。它通过高能激光逐层熔化金属粉末，可以精确制造出具有复杂几何形状和定制化孔隙网络的支架。例如，研究人员成功制备了孔隙率均为60%、但孔径分别为500微米（P500）、800微米（P800）和1400微米（P1400）的WE43合金支架。结果发现，P500支架的力学性能最佳（压缩强度78.48 MPa，弹性模量1.22 GPa），但其降解速率也最快，说明孔径对降解行为有显著影响。然而，LPBF技术也面临挑战，例如Mg粉末的高反射性需要大功率激光，且加工过程必须在惰性气氛保护下进行，以防氧化和燃烧。另一种AM技术——粘结剂喷射（BJ），则采用“两步法”：先通过喷射粘结剂将粉末粘结成“生坯”，再经过脱脂和烧结得到最终产品。这种方法避免了高温激光带来的热应力问题。

尽管各有优势，但单一方法往往难以兼顾宏观孔隙与微观结构、力学强度与降解速率。于是，混合制备技术成为新的趋势。例如，将粘结剂喷射技术与负盐模成型法结合，先用BJ打印出复杂的盐模板，再进行熔渗；或者将粉末冶金与钛丝空间支架法联用。这些混合策略能够融合不同方法的优点，有望制备出性能更均衡的下一代支架。

表面处理：为支架穿上“智能防护服”

多孔结构在增大比表面积的同时，也使得Mg基支架的腐蚀速率比实体材料快2-8倍。因此，表面改性对于控制其降解行为至关重要。

高温氧化（HTO） 是一种有效的表面强化手段。例如，将WE43合金支架在525°C的空气中加热8小时后淬火，表面会形成一层致密的氧化钇（Y₂O₃）保护层。若在此基础上再进行水热处理，生成层状双氢氧化物（LDH）涂层，则可形成HTO-LDH复合涂层。这种具有多尺度结构的涂层展现出卓越的抗降解性能，在28天浸泡后，其重量损失仅为约23.6%，降解速率低至约0.3 mm?y^-1，远优于未处理或仅经HTO处理的支架。

化学转化涂层，如磷酸氢钙（DCPD, CaHPO₄?2H₂O）、羟基磷灰石（HAP, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）和MgF₂等，因其操作简便、成本低而备受关注。然而，在复杂多孔结构内部实现涂层的均匀沉积是一大挑战。为了解决电解质因表面张力难以渗透到深孔的问题，研究人员开发了流体辅助化学转化和真空浸渍技术。例如，让植酸钙溶液在支架内部流动，可以显著提高涂层在孔道内的覆盖均匀性和致密性，从而更有效地延缓腐蚀。

微弧氧化（MAO），又称等离子体电解氧化（PEO），是一种在电解液中通过高压放电在金属表面原位生长陶瓷膜的技术。经MAO处理的WE43支架在模拟体液中浸泡21天后，仍能保持结构完整，质量损失仅为15.1%，而未处理的支架则已严重损坏。但MAO涂层也存在缺点，其在腐蚀过程中产生的氢氧化镁（Mg(OH)₂）在含Cl^-的环境中不稳定，且涂层内部的微孔容易成为腐蚀的起始点。

电化学沉积则可以在低温下进行，并能通过调节参数精确控制涂层形貌。例如，采用脉冲电沉积并结合碱液处理后，可以在Mg-Zn支架表面获得垂直生长的针状HAP涂层。

尽管表面处理技术取得了长足进步，但传统涂层在多孔结构上仍面临涂层不均匀、界面结合力弱、难以适应动态生理微环境等挑战。未来的方向是开发自修复智能涂层，它们能够根据局部微环境的pH值、离子浓度等变化动态调整自身状态，实现更持久的保护。

多尺度评估技术：窥探材料与生命的对话

传统的性能评估方法，如静态浸泡、细胞毒性试验（如CCK-8法）和动物模型，对于理解Mg基支架在复杂生理环境中的行为显得力不从心。它们难以捕捉降解产物（如Mg²⁺、OH^-、H₂）的时空分布梯度及其对细胞行为的动态影响。

为此，新兴的器官芯片技术展现出巨大潜力。这种微型化设备能够模拟人体的生理环境，通过仿生流体循环，同时研究Mg²⁺离子梯度、氧分压变化和力学刺激等多种因素对共培养的成骨细胞、内皮细胞和免疫细胞的协同调控作用，从而在体外构建更接近真实的骨修复微环境。

另一方面，空间分辨局部技术，如使用微探针实时监测材料/溶液界面处的H₂、O₂、OH^-和Mg²⁺的局部浓度变化，可以将Mg基支架的降解动力学转化为可量化的时空参数矩阵，为理解降解机制提供直观的数据支持。

结论与展望

镁基支架作为骨组织工程的前沿材料，其发展正从经验摸索走向精准设计。通过融合多种制备技术的混合策略，有望解决结构复杂性与性能均衡性之间的矛盾。开发能够动态响应微环境变化的自修复智能涂层，是控制降解行为的关键。而采用器官芯片和空间分辨局部技术等先进评估工具，则能更深入地揭示材料与生命体之间的复杂相互作用，加速其临床转化进程。这三方面的协同创新，将共同推动镁基支架成为下一代骨科植入物的理想解决方案。