金属-半金属Zn-Ge合金通过共晶Ge相诱导微电池效应调控降解行为并增强成骨活性

为解决纯锌(Zn)基植入体存在点蚀腐蚀、成骨活性不足及降解速率不匹配等问题，中国科学院深圳先进技术研究院团队开发了锗(Ge)掺杂的Zn-Ge合金。研究发现3 wt% Ge的加入可形成均匀分布的共晶Ge相，通过微电池效应(Microgalvanic cells)调控Zn2+释放(224 μm/年)，激活Wnt通路促进成骨细胞分化，在大鼠股骨髁缺损模型中证实其优异的成骨性能与生物安全性。该研究为优化可降解锌基植入体的生物功能提供了新策略。

　　

骨修复领域正面临传统金属植入体的重大挑战——钛合金等永久性植入物需二次手术取出，而新兴的可降解锌(Zn)基材料又受限于不均匀腐蚀和成骨效能不足。纯Zn在体内降解速率过慢（每年仅数十微米），且机械强度差、易发生晶界优先溶解，这些问题严重阻碍其临床应用。更棘手的是，现有Zn合金（如Zn-Li、Zn-Mg）常因第二相引发局部微电池腐蚀，导致活性氧(ROS)爆发损害细胞功能。如何平衡降解行为与成骨活性，成为可降解骨科材料研发的"卡脖子"难题。

中国科学院深圳先进技术研究院的Kai Chen、Xuenan Gu等研究者独辟蹊径，将具有半导体特性的半金属锗(Ge)引入Zn基体，通过重力铸造和热挤压工艺制备了系列Zn-xGe(x=0.3-5 wt%)合金。研究采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、扫描电镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)分析材料特性，通过电化学测试、体外细胞实验和大鼠股骨髁缺损模型系统评估其性能。

材料表征揭示Ge的调控机制
显微结构显示，添加3 wt% Ge可使共晶Ge相均匀分布，体积分数达4.8%，将晶粒尺寸从纯Zn的10.84 μm细化至3.21 μm。X射线光电子能谱(XPS)证实Ge相与Zn基体间存在0.98 V电位差，形成可控微电池系统。这种独特的半导体-金属界面使腐蚀电流密度稳定在7.81 μA/cm²，较纯Zn降低45%，且无局部点蚀现象。

降解行为与力学性能的协同优化
浸泡实验表明，Zn-3Ge在模拟体液中呈现均匀降解，30天时Zn²⁺释放速率达0.38 mg/cm²/day，符合理想骨修复材料标准。其抗拉强度(216 MPa)和延伸率(18%)分别比纯Zn提高2.1倍和1.5倍，这归因于Ge相细晶强化与位错钉扎效应。值得注意的是，Ge含量超过3 wt%时，过量的Ge相反而会形成导电网络加速腐蚀。

微电池效应激活成骨通路
体外实验发现，Zn-3Ge浸提液使hBMSCs(人骨髓间充质干细胞)的碱性磷酸酶(ALP)活性提升3.2倍，矿化结节增加4.5倍。机制研究表明，微电池调控的Zn²⁺内流通过TRPM7/GPR39受体激活PKA-cAMP-AKT/MAPK级联反应，最终上调RUNX2和OSX等成骨关键基因。特别值得注意的是，Wnt/β-catenin通路活性被特异性增强，β-catenin核转位效率提高60%。

动物实验验证临床潜力
在大鼠股骨髁缺损模型中，植入8周后Zn-3Ge组的新骨体积分数(BVF)达41.3%，显著高于纯Zn组(22.7%)。Micro-CT三维重建显示，合金表面形成连续骨痂，且无局部炎症反应。血生化检测证实血清Zn²⁺浓度维持在15.6-18.3 μmol/L的安全范围内，主要器官未见Ge蓄积毒性。

这项发表于《Biomaterials》的研究开创性地利用半导体-金属界面工程策略，通过Ge相调控微电池效应，实现了降解行为与成骨活性的精准平衡。其重要意义在于：①首次阐明Zn-Ge合金中半导体特性对腐蚀电化学的调控规律；②揭示微电池诱导的Zn²⁺时空释放模式可激活Wnt通路促进骨再生；③为设计新一代智能降解骨植入材料提供了理论框架。该技术已申请中国发明专利，在齿科种植体和创伤骨科领域具有广阔应用前景。