可降解Zn-2.0Y合金通过PI3K/AKT通路增强成骨与血管生成性能的骨植入应用研究

【编辑推荐】针对传统骨植入材料不可降解、力学性能不足等问题，北京大学团队开发了Zn-xY（x=0.1-2.0 at.%）合金体系。研究发现Zn-2.0Y合金兼具优异力学性能（UTS 230 MPa，YS 170 MPa）和可控降解速率（45 μm/y），通过激活PI3K/AKT通路显著促进hBMSCs成骨分化和HUVECs血管生成，并展现抗菌特性。该研究为开发兼具生物功能性和力学适配性的可降解骨植入材料提供了新策略。

　　

论文解读
骨骼损伤修复面临传统金属植入物需二次手术取出、力学适配性差等挑战，而现有可降解镁合金降解过快、铁合金降解过慢。锌（Zn）合金因其适中降解速率和生物活性成为研究热点，但纯锌力学强度不足制约其临床应用。北京大学团队通过引入稀土元素钇（Y），系统研究了Zn-xY合金在骨修复中的多功能特性。

研究采用热挤压成型制备合金，通过拉伸测试、电化学腐蚀实验评估力学与降解性能，结合hBMSCs（人骨髓间充质干细胞）和HUVECs（人脐静脉内皮细胞）模型分析生物活性，并建立大鼠股骨植入模型验证体内效果。关键发现包括：

1. 材料制备与微观结构表征
通过热挤压工艺获得晶粒细化的Zn-xY合金，Y含量增加至2.0 at.%时析出相增多，晶界结构显著优化。

2. 力学性能与降解行为
Zn-2.0Y展现最佳综合性能：抗拉强度（UTS）达230 MPa，屈服强度（YS）170 MPa，延伸率（ER）16%；降解速率随Y含量增加而降低，Zn-2.0Y年腐蚀率仅45 μm。

3. 生物功能特性
• 成骨活性：Zn-2.0Y促进hBMSCs碱性磷酸酶（ALP）活性和钙结节形成；
• 血管生成：显著提升HUVECs迁移与血管形成能力；
• 抗菌性能：对金黄色葡萄球菌抑菌率比纯锌提高3倍。

4. 体内骨整合效应
大鼠植入实验显示Zn-2.0Y组新生骨体积比纯锌组增加58%，通过Micro-CT和组织学证实其促进骨痂形成。

5. 分子机制解析
Western blot证实Zn-2.0Y通过上调PI3K/AKT通路关键蛋白p-AKT表达，激活下游RUNX2（成骨标志基因）和VEGF（血管内皮生长因子）。

结论与意义
该研究首次阐明Zn-Y合金通过PI3K/AKT双通路协同调控骨再生的机制，开发的Zn-2.0Y合金兼具力学适配性（满足中负荷承重要求）、可控降解性及多重生物功能，突破了现有可降解植入材料的功能单一局限。Y元素的引入不仅改善材料本征性能，其释放的Y³⁺
离子还协同Zn²⁺
增强生物活性。研究成果为设计新一代"力学-降解-生物功能"三位一体的骨修复材料提供了理论依据和实践范式，相关成果发表于《Acta Biomaterialia》。