激光粉末床熔融制备多孔铁支架的力学性能、降解行为与生物相容性研究及其骨修复应用

针对可降解铁基植入体降解速率不足和力学适配性差的问题，研究人员通过激光粉末床融合(LPBF)技术制备了三种拓扑结构(B/D/G)的多孔铁支架。优化工艺参数实现近全致密化(>99.7%)，其中基于三周期极小曲面(TPMS)的G支架展现出均匀腐蚀(0.10±0.01 mm/year)、渐进式失效和优异生物相容性(细胞存活率>95%)，其弹性模量(2.2-3.6 GPa)与松质骨匹配，为个性化骨修复植入体设计提供了新思路。

　　

在骨科植入材料领域，传统永久性金属植入物常面临二次手术取出和应力屏蔽等问题，而可降解金属(如镁、锌、铁合金)为革命性解决方案带来希望。其中铁(Fe)因其优异力学性能和生物安全性备受关注，但天然降解速率过慢可能引发类似永久植入物的并发症。与此同时，镁合金降解过快伴随产氢，锌合金则力学强度不足。如何通过先进制造技术调控铁基材料的降解行为与力学性能，成为骨修复材料开发的关键科学问题。

西安铂力特等机构的研究人员创新性地采用激光粉末床融合(LPBF)技术，通过系统优化激光功率(P)和扫描速度(V)等参数，成功制备出近全致密(>99.7%)的纯铁样品。研究进一步设计了三种拓扑结构支架：体心立方(B)、钻石(D)和螺旋二十四面体(G)，系统评估了其降解行为、生物力学相容性和生物相容性。研究发现TPMS结构的G支架展现出均匀腐蚀、渐进式力学失效和卓越的生物相容性，28天降解后仍保持与松质骨匹配的力学性能(弹性模量2.2-3.6 GPa)，细胞存活率超过95%。该成果发表于《Smart Materials in Manufacturing》，为个性化可降解骨修复植入体的开发提供了重要理论依据和技术支撑。

关键技术方法包括：(1)采用Taguchi方法优化LPBF工艺参数(激光功率110-190W，扫描速度200-1000mm/s)；(2)设计三种拓扑结构支架(B/D/G)并进行形貌表征；(3)通过电子背散射衍射(EBSD)分析微观结构；(4)ASTM标准下的力学性能测试；(5)模拟体液(SBF)浸泡实验评估降解行为；(6)小鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)培养进行生物相容性评价。

【3.1 成形质量】研究发现激光体能量密度(E_v=P/VHT)在110-160 J/mm³时实现最佳致密化(99.74%)，过低导致未熔合孔隙，过高引发气孔缺陷。三种支架实测孔隙率(73.7-74.3%)与设计值偏差<7%，满足临床要求。

【3.2 微观结构特征】EBSD显示优化参数样品呈弱织构(强度2.608)，平均晶粒尺寸4.5μm，含38.1%小角度晶界(LAGBs)和61.9%大角度晶界(HAGBs)，熔池边界细晶区存在高位错密度。

【3.3 力学性能】最优参数样品展现优异强塑性匹配(屈服强度612.3±10.6MPa，延伸率15.4±0.4%)。有限元分析揭示G支架应力分布最均匀，而B/D支架在节点处存在明显应力集中。

【3.4 降解行为】28天浸泡后，G支架表现出最低腐蚀速率(0.10±0.01 mm/year)和最均匀降解形貌，降解产物主要为Fe₃O₄、γ-FeOOH和Ca₃(PO₄)₂。Fe离子释放浓度排序为B(9.5mg/L)>D(8.1mg/L)>G(6.1mg/L)。

【3.5 体外生物相容性】G支架在50%浸提液中细胞存活率达95.8±1.6%，显著优于B/D支架。100%浸提液显示一定细胞毒性，可能与铁离子诱导的氧化应激和铁死亡(ferroptosis)有关。

研究结论表明，LPBF工艺参数优化与拓扑设计协同调控可显著提升铁基支架的综合性能。TPMS结构的G支架展现出最佳的降解均匀性、力学适配性和生物相容性，其弹性模量与天然松质骨匹配，有效避免了应力屏蔽效应。该研究不仅为可降解铁基骨修复材料的设计提供了重要理论指导，也展示了LPBF技术在个性化医疗植入体制造中的巨大潜力。特别值得注意的是，支架的曲率梯度设计对应力分布和降解均匀性的调控机制，以及铁离子释放与细胞铁死亡通路的关联，为后续研究指明了方向。这些发现将推动新一代兼具理想降解特性和骨诱导能力的智能植入材料的开发。