激光粉末床熔融制造的锌铜合金骨支架仿生拓扑设计：平衡力学性能与降解行为

《Biomaterials Advances》：Biomimetic topology design of L-PBF-fabricated Zn–Cu alloy bone scaffolds for balancing mechanical performance and degradation behavior

　　

•开发了一种用于激光粉末床熔融(LPBF)增材制造Zn–2Cu可降解支架的拓扑过渡策略。•径向Gyroid–Diamond融合结构克服了单一TPMS结构在强度与可变形性之间的权衡难题。•GD支架在60%孔隙率下实现了84.9 MPa的强度，比Gyroid结构高出66.9%。•混合拓扑通过应力重新分布将能量吸收提高至29.74 MJ m?3。•通过孔隙率调控的GD支架展现出与骨组织匹配的模量以及稳定的降解行为。

## 引言

骨缺损主要由创伤、肿瘤切除、感染和退行性疾病引起，仍然是临床骨科面临的关键挑战[1]，[2]。对于临界尺寸骨缺损，由于天然骨的固有再生能力有限，无法实现自愈合，因此需要生物材料植入物提供临时的力学支撑并引导骨组织新生[3]，[4]。尽管自体骨移植仍是骨重建的临床"金标准"，但其应用受到供体来源有限、二次手术创伤及供区并发症的严重制约[5]。同种异体骨移植可克服供体来源限制，但存在免疫排斥和病原体传播的持续风险[6]，[7]。因此，开发能够和谐结合强韧力学性能、优异生物相容性和可定制生物降解性的合成骨替代材料，已成为骨组织工程领域的重要前沿方向。

近年来，可降解金属(BMs)因其独特能力而在骨愈合过程中提供关键的力学支撑，随后在组织重塑完成后逐步吸收而受到广泛关注[8]，[9]。迄今为止，可降解金属研究主要集中在Mg、Fe和Zn基体系上。虽然Mg基合金具有优良的骨诱导性和高比强度，但其快速降解动力学伴随着氢气释放，可能损害愈合微环境[10]。相反，Fe基材料具有出色的力学性能，但其缓慢的降解速率无法满足临床对及时植入物吸收的预期[11]。相比之下，Zn基材料提供了适中的降解速率、良好的细胞相容性和固有的成骨生物活性，从而在高活性Mg和过于稳定的Fe体系之间架起了一座理想的桥梁[12]，[13]。从机制上看，释放的Zn离子参与多种酶促级联反应、蛋白质合成和骨代谢途径，在驱动成骨细胞增殖和分化中发挥关键作用[14]。然而，纯Zn在承重骨修复中的临床转化受到其较差的抗拉强度和刚度的制约，需要通过冶金合金化与结构优化的协同策略来提升其整体性能[15]，[16]。

在众多Zn基合金体系中，Zn–Cu体系因其机械强韧性、生物活性和固有抗菌效果的优异组合而引起了极大的研究兴趣[17]，[18]，[19]，[20]。大量文献表明，Cu的添加通过固溶强化、析出硬化和晶粒细化的协同效应显著增强了Zn合金的力学性能。同时，释放的Cu离子可刺激血管新生并抑制细菌定殖，提供多种生物学功能效益[21]，[22]，[23]。近年来，激光粉末床熔融(L-PBF)技术的进步为高精度制造几何复杂的Zn基植入物开辟了新的途径[24]。得益于L-PBF固有的超快冷却速率和非平衡凝固特征，合金形成了高度细化的微观组织和均匀分布的强化相，从而提升了其力学完整性和长期服役稳定性[18]，[25]。然而，尽管当前关于Zn–Cu合金的研究主要集中在微观组织演化、力学表征和腐蚀行为方面[17]，[18]，[19]，但结构拓扑——特别是仿生多孔设计——对力学性能与生物降解动力学的协同调控影响仍有待深入理解。

事实上，天然骨组织是一种典型的具有分层结构和多级特征的功能梯度材料。其优异性能不仅源于材料组成，更重要的是源于其复杂的结构特征[3]，[26]。宏观上，长骨由外层致密的皮质骨和内层多孔的松质骨组成[1]。皮质骨孔隙率低(5%–10%)，弹性模量高(1–35 GPa)，用于承受机械载荷；而松质骨孔隙率高(50%–90%)，弹性模量较低(0.05–3 GPa)，提供优异的吸能能力和骨长入空间[1]，[27]，[28]。两者之间连续的梯度过渡形成了一个稳定的承重系统，实现了高强度、高韧性和高损伤容限的协同。因此，模仿这种由外向内的梯度结构来协调支架的力学性能、生物学功能和降解行为，已成为骨支架设计的关键方向。

增材制造技术的发展为构建复杂仿生骨支架提供了新的解决方案[29]，[30]。与传统的随机多孔结构相比，增材制造能够精确控制孔隙率、孔径和拓扑架构，从而有效调控支架的力学性能、渗透性和生物学响应[3]。自然界为众多点阵结构的设计提供了灵感。例如，原始面心立方(P)和Gyroid(G)结构存在于海胆棘刺和蝴蝶翅膀鳞片上[31]，[32]，[33]，而具有Diamond(D)构型的 photonic crystal 结构则存在于甲虫的背外骨骼中[34]。这些源自生物系统的TPMS结构因其连续光滑的表面、高互连性、均匀的曲率分布和优异的流体传输能力而受到广泛关注[35]，[36]，[37]。研究表明，TPMS结构不仅能有效缓解应力集中，还能提供互连孔隙以促进细胞迁移、营养交换和骨组织长入，因此被认为是仿生骨支架最有前景的结构之一[38]，[39]。

先前的研究表明，不同的TPMS拓扑结构表现出不同的变形机制和力学响应特征[40]，[41]，[42]。P结构具有优异的制造稳定性和孔隙互连性，但其相对简单的载荷传递路径通常导致较低的力学性能。由于D结构具有更高的节点连通性和空间稳定性，它在受压时能够形成更均匀的应力分布，从而表现出更高的强度和刚度[27]，[43]。相比之下，G结构具有连续曲率表面和无节点特征，可有效缓解局部应力集中，同时具有优异的力学性能、渗透性和生物学适应性[37]，[44]。然而，大多数研究仍局限于单一TPMS拓扑设计，难以同时满足承重支撑、组织长入、能量吸收和降解调控等多重需求。为了进一步提升支架的综合性能，功能梯度TPMS结构已成为研究热点[45]，[46]，[47]。研究发现，通过改变支架的孔隙率、单元胞尺寸或壁厚分布，可以实现局部刚度调控和应力优化，从而增强整体力学性能和生物学适应性[48]。例如，孔隙率梯度设计可有效减轻应力屏蔽效应并改善骨组织长入能力[49]，而壁厚梯度设计可优化载荷传递路径并增强能量吸收性能[47]，[50]。然而，目前绝大多数梯度设计仍局限于单一单元胞拓扑的参数变化，关于结合不同TPMS拓扑的混合设计研究仍非常有限[51]。特别是在可降解Zn合金骨支架领域，关于不同拓扑对力学性能、能量吸收行为和降解特征协同效应的系统研究仍然缺乏。

基于上述考虑，本研究受自然界中类TPMS架构和皮质骨与松质骨分层组织的启发，设计了通过L-PBF制造的Zn–2Cu合金仿生支架。首先对三种代表性TPMS架构(P、D和G)进行了对比评估，以阐明其变形机制和力学特征。随后提出了一种径向混合Diamond–Gyroid(GD)支架，将承重的D外壳与高孔隙率的G内核相结合，以模拟天然骨的分层架构。通过定制支架孔隙率，本研究系统阐明了拓扑融合和孔隙率调控如何协同控制Zn基可降解支架的力学响应、能量吸收和降解行为，并基于Gibson-Ashby模型建立了相应的结构-性能关系。研究成果为开发具有平衡力学支撑和降解性能的新一代可降解金属支架提供了仿生拓扑设计策略。

## 结构描述与设计

TPMS是平均曲率为零的曲面，将空间分割为两个互不相交的区域。它们具有对称的拓扑结构，并且在特定边界条件下具有最小表面积[42]，[51]。它们的力学性能可以通过改变周期性、相对密度等各种结构参数来进行调节。此外，如图1(a–c)所示，TPMS架构已在自然生物体中被识别到，包括海胆棘刺、蝴蝶……

## 均质TPMS支架的压缩性能

图2展示了孔隙率为60%的P、G和D均质TPMS Zn–2Cu合金多孔支架在准静态单轴压缩下的Von Mises等效应力分布演化及相应的宏观变形过程，应变从10%逐步递增至50%。这些可视化轨迹清晰地阐明了拓扑构型如何主导多孔支架的压缩变形机制和失效行为。总体而言……

## 结论

(1)受骨的自然"皮质骨-松质骨"梯度架构启发，设计了仿生径向融合GD TPMS支架，并成功通过L-PBF在目标孔隙率60%–75%范围内从Zn–2Cu合金制造。打印后的支架展现出优异的打印性能，其微观组织由超细α-Zn基体与弥散析出的CuZn?第二相颗粒组成。

(2)混合拓扑将D结构的承重能力与G结构的优异……

## CRediT作者贡献声明

薛涵：撰写——初稿，调查，正式分析，数据整理。江鹏飞：数据整理。聂明浩：正式分析。于诗：数据整理。恒文忠：正式分析。孔德坤：调查。张智辉：验证。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究得到中国国家重点研发计划(项目批准号2022YFB4600500)、国家自然科学基金(批准号52235006、52025053和52605447)、山东省自然科学基金(ZR2026QC0534)、中国博士后科学基金(2025M781291)、吉林省教育厅科研项目(JJKH20261267KJ)以及博士后基金计划(批准号薛涵|江鹏飞|聂明浩|于诗|恒文忠|孔德坤|张智辉)的资助。