激光粉末床融合制备铜合金化锌基可降解金属的骨再生与抗菌协同增强机制研究

针对骨科植入物感染(IAIs)中骨再生与抗菌需求难以兼顾的难题，中国科学院研究人员通过激光粉末床融合(L-PBF)技术结合铜(Cu)合金化与热处理，开发出具有梯度离子释放特性的Zn-2Cu植入物。该材料通过ε-CuZn5 相析出实现203 MPa屈服强度，协同释放的Zn2+ /Cu2+ 在体外/体内实验中同时促进成骨基因表达并破坏生物膜，为感染性骨修复提供了双功能化解决方案。

　　

骨科植入物在临床上面临着"鱼与熊掌不可兼得"的困境：既要促进骨整合，又要防止细菌感染。植入物相关感染(IAIs)每年造成美国超86亿美元经济损失和10万例死亡，其中假体周围感染发生率高达1-7%。传统抗生素治疗存在局部浓度不足、全身毒性等问题，而功能性涂层又受限于载药量和脱落风险。可降解金属(BM)尤其是锌(Zn)基材料虽兼具成骨和抗菌潜力，但纯Zn机械强度不足(＜120 MPa)，且Zn²⁺
浓度窗口狭窄——低浓度促骨生成但抗菌弱，高浓度抗菌强却产生细胞毒性。

为解决这一难题，中国人民解放军总医院第四医学中心联合湖南华曙高科的研究团队在《Biomaterials》发表创新成果。研究采用激光粉末床融合(L-PBF)技术制备Zn-2Cu合金，通过350℃/3h热处理诱导ε-CuZn₅
相析出，构建出力学性能与生物功能协同增强的植入材料。该材料屈服强度达203 MPa，超过人股骨密质骨强度(170 MPa)，释放的Zn²⁺
/Cu²⁺
组合在转录组层面证实可同时上调成骨基因(如RUNX2、ALP)并破坏金黄色葡萄球菌生物膜，为感染性骨缺损治疗提供新范式。

关键技术方法包括：激光粉末床融合(L-PBF)制备纯Zn和Zn-2Cu样品；350℃热处理3小时诱导ε-CuZn₅
相形成；电化学测试评估降解性能；MC3T3-E1成骨细胞和金黄色葡萄球菌分别用于体外成骨/抗菌评价；大鼠股骨缺损模型验证体内成骨效果；RNA测序分析分子机制。

【微结构与力学性能】
背散射电子(BSE)成像显示：L-PBF制备的Zn-2Cu初始仅含少量500 nm级析出相，热处理后ε-CuZn₅
相数量显著增加且尺寸达微米级。这种微观结构变化通过固溶强化+沉淀强化协同作用，使热处理后样品(HT/Zn-2Cu)屈服强度提升至203 MPa，较铸态纯Zn提高约70%。

【降解与离子释放】
热处理加速了电偶腐蚀过程，使HT/Zn-2Cu降解速率较铸态样品提高2.3倍。电感耦合等离子体(ICP)检测显示，降解液中Zn²⁺
(4.8 mg/L)和Cu²⁺
(0.3 mg/L)浓度达到最佳生物活性窗口，该比例通过调控金属转运蛋白(如ZIP1)平衡了细胞摄取与毒性。

【成骨与抗菌双功能】
转录组分析揭示：HT/Zn-2Cu组成骨相关基因(COL1A1、OCN)表达量较纯Zn提升3.1倍，同时下调细菌群体感应基因(agrA)。体外实验显示材料对金黄色葡萄球菌的抑菌率达98%，并减少生物膜形成量87%。大鼠模型中，植入8周后新骨体积分数(BV/TV)达41.3%，显著高于对照组(22.7%)。

该研究突破性地通过L-PBF工艺与热处理协同调控，在Zn-2Cu合金中构建了梯度离子释放体系。ε-CuZn₅
相析出不仅强化材料力学性能，更通过电偶腐蚀实现Zn²⁺
/Cu²⁺
的时空可控释放——早期快速释放Cu²⁺
抑制感染，后期持续释放Zn²⁺
促进骨再生。这种"一石二鸟"的设计策略为开发下一代抗感染骨修复材料提供了新思路，其技术路线可扩展至其他多功能可降解金属体系。