生物活性锌成分赋予Ti-Zn复合材料作为生物医用植入物的卓越力学与成骨性能

为解决钛基(Ti)合金作为生物植入物时存在的生物惰性、高弹性模量及缺乏抗菌/成骨功能等问题，研究人员通过放电等离子烧结(SPS)技术开发了具有梯度核壳结构的Ti-Zn复合材料。该材料实现了高强度(如Ti-20Zn抗压强度达1.5 GPa)与低弹性模量(~30 GPa)的匹配，并通过Zn离子缓释展现出优异的抗菌性、成骨分化能力及体内骨缺损修复效果，为骨科植入物提供了兼具力学适配性与生物活性的新选择。

　　

骨骼疾病在全球范围内的发病率持续攀升，老龄化、交通事故和劳动损伤加剧了这一趋势。虽然自体骨移植仍是金标准，但供体短缺和免疫排斥问题始终存在。钛(Ti)合金因其优异的生物相容性和力学性能被广泛用于骨科植入物，但临床常用的纯Ti机械强度不足，而Ti-6Al-4V又存在铝(Al)和钒(V)离子的毒性风险。更关键的是，这些材料的弹性模量(通常超过100 GPa)远高于人骨(约30 GPa)，会导致"应力屏蔽效应"——即植入体承受过多负荷而周围骨组织萎缩。此外，传统Ti合金缺乏生物活性，既不能促进骨整合，也无法抵抗细菌感染。

针对这些挑战，武汉大学的研究团队创新性地将可降解金属锌(Zn)的生物活性与纯Ti的力学优势相结合，通过特殊设计的放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering, SPS)工艺制备出系列Ti-Zn复合材料。这项发表在《Biomaterials Advances》的研究表明，该材料不仅解决了力学适配性问题，还通过Zn离子的可控释放实现了抗菌、促骨再生等多重生物学功能。

研究采用高纯度Ti(TA1)和Zn粉末为原料，通过优化SPS工艺参数(温度梯度控制、压力调节)实现Ti-Zn元素的梯度扩散。关键实验技术包括：显微结构表征(扫描电镜SEM、X射线衍射XRD)、力学性能测试(压缩试验、纳米压痕)、体外生物学评价(细胞毒性、抗菌实验、成骨分化检测)以及大鼠股骨缺损模型的体内植入评估。

微结构特征
通过SEM和EDS分析发现，材料呈现独特的梯度核壳结构：Ti颗粒核心被Zn-Ti金属间化合物(如TiZn₃)包裹，形成连续网络。当Zn含量达20-30 wt%时，壳层中出现纳米级共晶组织，这种微观结构赋予材料优异的界面结合强度。

力学性能突破
Ti-20Zn和Ti-30Zn的抗压强度分别达到1.5 GPa和1.3 GPa，与医用Ti-6Al-4V相当；而弹性模量均稳定在30 GPa左右，完美匹配皮质骨。值得注意的是，高Zn含量的Ti-90Zn表现出1.8 GPa的超高强度，远超传统可降解Zn/Mg合金。

降解与生物相容性
在模拟体液中，Zn组分呈现渐进式降解(0.12 mm/年)，既保证力学支撑的持续性，又避免突发性离子过量。细胞实验证实，材料浸提液促进MC3T3-E1成骨细胞增殖，碱性磷酸酶(ALP)活性提升2倍，且对金黄色葡萄球菌的抑菌率达90%。

体内骨修复效能
大鼠股骨植入8周后，Micro-CT显示Ti-Zn组的新骨体积比纯Ti组增加40%，组织切片可见Zn离子促进成骨细胞聚集并抑制炎症反应。特别的是，材料降解产物主要经肾脏代谢，未引起主要器官毒性。

这项研究首次通过SPS技术实现Ti-Zn体系的梯度结构调控，创造性地将纯Ti的力学优势与Zn的生物功能整合于单一材料。其科学价值体现在三方面：(1)为熔点差异大的金属复合提供新工艺思路；(2)建立"力学适配-生物活性"协同设计范式；(3)证实Zn²⁺缓释可同时解决骨整合与感染防控难题。临床转化方面，Ti-20Zn/Ti-30Zn复合材料既能满足承重需求(如骨折内固定)，又可通过生物降解避免二次手术，在骨科、齿科等领域具有广阔应用前景。未来研究可进一步优化Zn的空间分布模式，探索个体化植入物的3D打印制备。