具有抗菌和抗肿瘤特性的多尺度强化Fe-1Se合金，适用于骨科应用

《Acta Oecologica》：Multi-scale strengthened Fe-1Se alloy with antibacterial and antitumor properties for orthopedic applications

本研究采用超高压溶液处理制备了高强度的Fe-1Se合金，其屈服强度达1072.1 MPa，是传统固溶处理合金的4倍。通过调控显微组织（BCC铁素体、马氏体和FeSe第二相），实现了固溶强化、纳米析出物强化和马氏体强化的协同效应。合金在模拟体液中的降解速率为26.3 μm/年，具备优异的生物相容性和抗菌活性（抑菌圈直径2.8 mm）。体外实验表明，合金提取液显著抑制骨肉瘤MG63细胞增殖并诱导凋亡，同时促进前骨细胞MC3T3-E1分化。体内实验验证了其抑制肿瘤生长和良好生物安全性的效果，为骨肿瘤修复材料提供了新方案。

　　Fe-Se合金因其显著的抗肿瘤特性，在骨癌缺陷修复领域展现出广阔的应用前景。然而，传统铸造Fe-Se合金的强度和塑性不足，限制了其在临床中的应用。为解决这一问题，本研究通过超高压力溶液处理技术制备了高强Fe-1Se合金，显著提升了其力学性能和生物功能特性。实验结果显示，该合金的显微组织由体心立方（BCC）α-Fe铁素体、马氏体和FeSe第二相组成，其中Se在α-Fe基体中的固溶度显著增加至0.53原子百分比。这种提升主要得益于超高压力下晶格常数的减小、晶格畸变的增加以及固溶度能垒的降低，使得Se原子更容易溶解于Fe基体，形成超固溶的固溶体。此外，马氏体结构和FeSe纳米析出相簇的协同强化效应进一步提高了合金的屈服强度，达到约1072.1 MPa，是传统大气压处理合金的4倍，且约为挤压镁合金WE43的7倍。

该合金不仅表现出优异的机械性能，还具备良好的抗菌、生物相容性和抗肿瘤效果。在对抗金黄色葡萄球菌（S. aureus）的实验中，UPST处理的Fe-1Se合金表现出显著的抗菌活性，其抑制区直径达到2.8 ± 0.2 mm，且菌落形成单位（CFU）数量显著减少。在与成骨细胞MC3T3-E1的体外共培养实验中，UPST Fe-1Se合金的提取液显示出良好的生物相容性，75%和50%浓度的提取液均使MC3T3-E1细胞的存活率超过96%。相比之下，SST处理的Fe-1Se合金表现出较弱的生物相容性，其细胞存活率约为90%。这些结果表明，UPST处理的Fe-1Se合金能够有效支持成骨细胞的生长，同时不会对正常细胞造成显著毒性。

在抗肿瘤实验中，UPST Fe-1Se合金的提取液对人骨肉瘤细胞MG63表现出显著的细胞毒性，100%浓度的提取液使MG63细胞的存活率低于60%，达到等级3/4的细胞毒性。随着提取液浓度的降低，其细胞毒性也相应减弱，但在75%和50%浓度下，细胞存活率仍低于75%。通过qRT-PCR分析，发现UPST Fe-1Se合金能够显著上调促凋亡基因Bax和p53的表达，同时下调抗凋亡基因Bcl-2的表达，这表明该合金可能通过调节这些基因的表达来诱导肿瘤细胞凋亡。此外，体外实验还显示，该合金能够有效抑制MG63细胞的迁移能力，进一步表明其在抑制肿瘤转移方面具有潜力。

在体内实验中，将UPST Fe-1Se合金植入小鼠骨肉瘤模型后，肿瘤体积显著减少，表明该合金在体内具有显著的抗肿瘤效果。同时，对小鼠主要器官（心脏、肝脏、脾脏、肺部和肾脏）的组织学分析显示，未出现明显的病理损伤，进一步证明了该合金在体内良好的生物安全性。这些结果表明，UPST Fe-1Se合金不仅在机械性能上优于传统Fe-Se合金，还在抗菌、生物相容性和抗肿瘤性能方面表现出色，为骨肿瘤相关缺损修复提供了新的材料选择。

综上所述，通过超高压力溶液处理技术，Fe-1Se合金的力学性能和生物功能特性得到了显著提升。其显微组织的优化、固溶度的提高以及多种强化机制的协同作用，使得该合金在强度、韧性、抗腐蚀和降解速率等方面均表现出良好的性能。同时，其释放的Se^4+离子在抗菌和抗肿瘤方面具有显著效果，且不会对正常细胞造成明显毒性。因此，UPST Fe-1Se合金有望成为一种具有广泛应用前景的骨修复材料，为骨肿瘤患者的治疗提供了新的解决方案。