径向孔径梯度Zn–Mg–Cu三周期极小曲面支架的选区激光熔化制备及其力学、降解与成骨性能增强研究

《Materials Today Communications》：Zn–Mg–Cu triply periodic minimal surface (TPMS) gradient scaffolds fabricated by selective laser melting with enhanced mechanical, degradation, and osteogenic properties

　　

本研究采用选区激光熔化（selective laser melting, SLM）技术制备了Zn–Mg–Cu三周期极小曲面（triply periodic minimal surface, TPMS）梯度支架，并系统评估了其力学性能、降解行为及成骨活性。Mg2Zn11和Cu5Zn8相的形成显著增强了合金的力学性能。梯度多孔构型与聚多巴胺（polydopamine, PDA）涂层的协同作用有效调控了支架的降解行为。研究结果表明，一体化设计策略改善了支架的表面生物活性，并显著促进了成骨分化。该研究为可降解锌基骨植入支架的优化设计提供了新的思路。

一、研究背景与科学问题

大段骨缺损，尤其是位于承重区或关节周围区域的骨缺损，往往超出骨骼固有的再生能力，严重影响患者的生活质量。生物活性陶瓷和聚合物虽具有良好的生物相容性，但在承重区域可能无法提供足够的力学支撑。传统钛合金支架虽可为骨缺损提供临时结构支撑，但其不可降解的特性可能阻碍后续骨组织重建，且较高的弹性模量易导致应力屏蔽效应，损害修复效果。因此，可降解金属植入物成为骨再生领域极具前景的替代方案。然而，在常见可降解金属中，铁基合金降解过慢，可能需二次手术取出；镁基合金降解过快并释放氢气，存在显著的临床局限性。锌（Zn）作为人体必需微量元素，在促进成骨细胞矿化和抑制破骨细胞分化方面发挥重要作用，其合金降解速率介于铁基与镁基合金之间，且降解不产生氢气，是理想的骨植入候选材料。但纯锌力学性能不足，常通过合金化改善。添加镁和铜可分别通过第二相强化和固溶强化显著提升锌合金力学性能，Zn–Mg–Cu三元合金因此成为极具潜力的骨植入材料体系。

然而，可降解锌基植入物的性能不仅取决于合金成分，还受支架构型、降解行为与界面生物学响应之间相互作用的影响。传统均质多孔支架难以同时满足力学支撑、降解调控和组织长入的相互矛盾需求。三周期极小曲面（TPMS）结构因其三维周期极小曲面特性，可高度模拟天然松质骨构型，其中螺旋面（gyroid）结构较传统网格结构具有更优的渗透性，有利于细胞向支架内部浸润。基于此，研究人员在前期开发的沿构建方向结构变化的Zn–Mg–Cu梯度gyroid支架基础上，进一步引入径向孔径梯度设计，使孔径从外部约900 μm逐渐减小至内部约600 μm，以在保持互连孔隙通道的同时提高支架中心区域的固相分数，改善载荷传递。此外，研究人员引入聚多巴胺（PDA）涂层进行表面功能化改性，以期调控早期降解行为并改善细胞–材料界面相互作用。

二、研究内容与主要结论

本研究采用选区激光熔化（SLM）技术制备了具有径向孔径梯度的Zn–Mg–Cu TPMS gyroid多孔支架，并经NaOH碱热活化及PDA涂层修饰，系统评估了支架的力学性能、降解行为、离子释放特征、细胞相容性及成骨活性。研究得出以下主要结论：Mg₂Zn₁₁和Cu₅Zn₈第二相的形成显著提升了合金的力学性能，Zn合金圆柱的压缩屈服强度约为纯Zn圆柱的8.1倍；梯度多孔构型在保持互连孔隙的同时提高了支架的抗压强度；完整的表面处理（NaOH碱热活化+PDA涂层）在不损害初始承载能力的前提下，有效降低了腐蚀电流密度，抑制了早期Zn²⁺的突释，并使腐蚀产物分布更加均匀；Zn合金支架及PDA@Zn合金支架的浸提液表现出优于纯Zn支架的细胞相容性，并显著促进了成骨分化，表现为ALP活性升高、细胞外基质矿化增强以及Runx2、ALP、COL1A和OPN等成骨标志基因表达上调。该研究在材料–结构–功能一体化制造框架下，通过引入径向孔径梯度和后处理表面改性，为可降解锌基骨修复植入物的进一步发展提供了实践路径。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）选区激光熔化（SLM）技术，用于制备Zn–Mg–Cu TPMS gyroid梯度多孔支架及均孔对照支架，SLM参数经优化为激光功率50 W、扫描速度350 mm/s、扫描间距50 μm、层厚50 μm；（2）NaOH碱热活化处理与PDA涂层沉积的复合表面改性策略；（3）材料表征手段，包括扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）及X射线光电子能谱（XPS）；（4）力学性能测试，包括室温压缩试验与维氏硬度测试；（5）体外降解评价，包括Hank's溶液中28天浸泡试验、电化学测试（动电位极化与电化学阻抗谱）及电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）离子浓度分析；（6）体外细胞学评价，包括CCK-8细胞代谢活性检测、活/死荧光染色、细胞骨架染色、碱性磷酸酶（ALP）活性测定、茜素红S（ARS）矿化结节染色及RT-qPCR成骨基因表达分析。本研究所用Zn–Mg–Cu合金粉末由奥科新材料有限公司（中国）提供。

四、研究结果

（一）材料表征

EDS元素面扫显示Zn、Mg、Cu在合金粉末中分布相对均匀，定量分析测得Mg和Cu含量分别为0.99 ± 0.42 wt%和1.04 ± 0.20 wt%，与名义成分Zn–1Mg–1Cu一致。梯度支架外部和内部表观孔径分别为902.42 ± 12.31 μm和602.60 ± 11.30 μm，均孔支架为901.60 ± 6.34 μm；梯度支架实测孔隙率为65.96 ± 1.47%，均孔支架为70.75 ± 2.94%。NaOH碱热处理后，支架表面形成针状六方棱柱晶体层，显著提高表面亲水性，水接触角由Zn合金的74.21 ± 1.44°降至18.12 ± 0.29°；PDA涂层后接触角回升至30.51 ± 0.08°，仍处于亲水范围。PDA渗透至针状晶体间隙，表面改性区域表观厚度约35–40 μm。XRD检测到Mg₂Zn₁₁和Cu₅Zn₈第二相，FTIR证实PDA成功沉积于支架表面。

（二）力学性能

压缩测试表明，Zn合金圆柱的压缩屈服强度和弹性模量分别为394.93 ± 4.96 MPa和11.56 ± 0.05 GPa，约为纯Zn圆柱（48.56 ± 1.45 MPa和3.29 ± 0.06 GPa）的8.1倍和3.5倍；维氏硬度由纯Zn的46.59 ± 1.63 HV提升至Zn合金的111.80 ± 4.15 HV。梯度Zn合金支架的抗压强度为53.70 ± 6.75 MPa，显著高于900 μm均孔支架的37.75 ± 2.73 MPa，这归因于内部区域较高的固相分数有利于载荷传递。PDA@Zn合金支架的抗压强度为56.67 ± 5.60 MPa，与未处理梯度支架相当，表明完整表面处理未损害支架的初始承载能力。

（三）体外降解与电化学行为

28天Hank's溶液浸泡后，所有样品表面均形成白色腐蚀产物层，未见明显宏观缺陷或结构坍塌。PDA@Zn合金支架的腐蚀产物分布较Zn合金支架更均匀。pH值在初期8天内波动明显，随后趋于稳定。ICP-MS分析显示，Zn合金支架在最初4天出现显著的Zn²⁺浓度峰值，PDA@Zn合金支架的Zn²⁺、Mg²⁺和Cu²⁺浓度均低于Zn合金支架，其中初始Zn²⁺浓度的差异最为显著。多孔支架组的离子浓度整体高于实心圆柱组，这与TPMS互连多孔构型提供更大的电解质可及表面积有关。质量损失方面，PDA@Zn合金支架（2.45 ± 0.58%）低于Zn合金支架（3.46 ± 0.98%）。腐蚀产物经XRD、FTIR和XPS鉴定为ZnO、Zn(OH)₂、Zn₅(CO₃)₂(OH)₆、Zn₅(OH)₈Cl₂·H₂O及Ca₃(PO₄)₂·H₂O。电化学测试表明，Mg和Cu合金化使腐蚀电位负移、腐蚀电流密度增大，增加了腐蚀倾向；而完整表面处理后，PDA@Zn合金圆柱的腐蚀电位显著正移至?0.229 ± 0.021 V，腐蚀电流密度降至0.872 ± 0.046 μA/cm²，Nyquist半圆直径最大，表明界面电荷转移电阻增大，电化学腐蚀抗力显著改善。

（四）体外生物相容性

CCK-8结果显示，50%浓度浸提液对各组细胞均表现出明显细胞毒性；33%和25%浓度浸提液的细胞相容性显著改善，其中Zn合金支架和PDA@Zn合金支架组的33%浸提液诱导了最佳的细胞反应，PDA@Zn合金支架组在各材料组中OD值最高。活/死染色与CCK-8结果一致。细胞骨架染色显示，阴性对照、Zn合金支架和PDA@Zn合金支架组的细胞呈铺展良好的纺锤形，而纯Zn支架组细胞体收缩、伪足延伸不良，铺展能力受损。

（五）体外成骨分化

在33%浸提液成骨诱导条件下，Zn合金支架和PDA@Zn合金支架组在第7天的ALP染色强度及定量ALP活性均显著高于阴性对照和纯Zn支架组。第21天茜素红S染色显示，Zn合金支架和PDA@Zn合金支架组的矿化结节数量显著多于阴性对照组，定量OD值亦显著更高。RT-qPCR结果显示，第14天Zn合金支架和PDA@Zn合金支架组的Runx2、ALP、COL1A和OPN表达水平均显著高于阴性对照和纯Zn支架组，表明Mg和Cu合金化可增强锌基材料的成骨性能，完整表面处理则营造了有利于成骨细胞活性的微环境。

五、讨论与结论

讨论部分指出，理想的生物可降解金属骨植入物应在骨愈合早期提供足够的力学支撑，在组织长入过程中逐渐被新生骨替代，并在整个服役期内促进骨再生。本研究中，梯度TPMS构型在力学支撑与电解质渗透/离子传输通道之间实现了平衡；完整表面处理通过维持亲水表面、调控Zn²⁺、Mg²⁺和Cu²⁺的释放特征，改善了细胞相容性和成骨活性。PDA渗透至针状晶体间隙形成机械互锁，28天浸泡后未见大面积剥落，表明表面改性区域具有良好的界面稳定性。研究结论为：Zn–Mg–Cu TPMS gyroid梯度多孔支架经SLM制备及NaOH碱热活化联合PDA涂层处理后，Mg₂Zn₁₁和Cu₅Zn₈第二相改善了力学性能并改变了降解行为，梯度TPMS构型平衡了力学支撑与电解质渗透通道，完整表面处理维持了亲水表面并调控了离子释放特征，从而改善了细胞相容性和成骨活性。该研究在前期增材制造Zn–Mg–Cu梯度支架工作的基础上，引入了径向孔径梯度和后处理表面改性，为可降解骨修复植入物的多功能化发展提供了新的思路。