综述：铁基骨植入材料研究进展：加速降解、细胞相容性与成骨性能

《Smart Materials in Manufacturing》：Advances in Fe-based bone implants: Accelerated degradation, cytocompatibility and osteogenesis

　　

可降解铁（Fe）基合金及复合材料作为极具潜力的骨植入材料受到日益广泛的关注。此类合金能够提供充足的力学强度以维持植入期间的稳定支撑，同时可伴随骨组织愈合进程逐步发生降解。本综述系统梳理了近年来可降解铁基骨植入材料的研究进展，重点聚焦于降解行为、生物相容性及力学性能三大核心维度。具体而言，结合典型研究案例，深入阐释了五类加速铁降解的策略：（i）合金化，通过降低电极电位并引入第二相诱发微电偶腐蚀；（ii）铁/生物陶瓷复合，利用生物陶瓷溶解产生的表面缺陷、氢离子释放、腐蚀性氯离子析出及气态产物膨胀效应破坏致密表面钝化层；（iii）表面工程；（iv）微纳结构设计，涵盖异质结构、纳米层状结构及核壳结构构建；（v）磁化处理。此外，本文讨论了通过固溶强化与晶粒细化实现强度提升的机理，以及引入多孔结构降低弹性模量以匹配骨组织力学特性的方法。进一步系统评估了锰（Mn）、铜（Cu）、羟基磷灰石（HA）、磷酸三钙（TCP）及双相磷酸钙（BCP）等组分的引入对细胞相容性、成骨活性及体内生物安全性的影响。最后，提出需开展包含主要脏器组织学染色与血液生化分析的长期动物实验，以推动该类合金向骨科临床应用转化。通过整合上述策略进展并批判性评估其生物学效应，本研究构建了系统性研究框架，既总结了现有认知，亦揭示了下一代铁基植入材料尚未被充分探索的协同优化方向。

1. 1.
   引言
   1.1 非可降解金属骨植入物
   随着交通事故、运动损伤发生率上升及人口老龄化加剧，骨缺损发病率显著增加，对兼具良好生物相容性与承载能力的骨植入物需求持续攀升。目前临床广泛应用的钛合金、钴铬合金及不锈钢存在应力遮挡、不良反应及需二次手术取出等局限，增加了患者痛苦与医疗成本。可降解金属植入物作为智能生物材料的重要分支，能够在提供临时力学支撑、促进骨愈合的同时逐步降解并被新生骨替代，已成为骨修复领域的研究热点。
   1.2 可降解金属骨植入物
   镁（Mg）基植入物虽生物相容性良好，但在生理环境中降解速率过快（0.8–2.7 mm/y），易导致力学完整性过早丧失；锌（Zn）基植入物降解速率适中（0.1–0.3 mm/y），与骨愈合周期匹配度较高，但其拉伸屈服强度（~70 MPa）、极限抗拉强度（~80 MPa）及硬度（~40 HV）较低，难以满足承重部位修复需求。相比之下，铁（Fe）作为人体必需元素，具有优异的力学性能：拉伸屈服强度约250 MPa、极限抗拉强度约300 MPa、硬度约70 HV，能够满足骨修复的载荷承载要求。纯铁的降解速率过低（0.05–0.1 mm/y），低于理想可降解骨植入物的推荐范围（0.2–0.5 mm/y），限制了其临床应用。通过合金化引入镁、锌、锰、铜、硅等元素，可在调控降解行为的同时改善细胞相容性，为铁基植入物的性能优化提供了可行路径。
2. 2.
   铁基骨植入物的降解性能
   2.1 降解机理
   铁的标准电极电位为-0.44 V vs. SHE，高于镁（-2.37 V）与锌（-0.76 V）。其在生理环境中的降解主要通过氧吸收反应进行：2Fe + 2H₂O + O₂→ 2Fe(OH)₂。初始腐蚀产物Fe(OH)₂或FeO·nH₂O沉积于铁表面形成内层保护膜，随后在表层区域经氧化转化为外层Fe(OH)₃或Fe₂O₃·nH₂O。这些氧化物与氢氧化物复合物通过阻断阳极反应抑制金属溶解，导致纯铁降解缓慢。此外，细胞内铁储存蛋白铁蛋白（ferritin）可调控铁离子释放，避免铁离子参与反应诱导氧化应激，从而降低铁死亡或慢性炎症风险，影响材料的长期生物相容性。
   2.2 加速铁降解的方法
   2.2.1 合金化效应
   合金化通过形成微电偶或双相结构可同步提升降解速率与力学性能，但需验证元素安全性与相变可控性。低电位元素（如Mg、Zn）优先作为阳极相腐蚀，其溶解导致的微观结构破坏、钝化膜破裂或局部环境改变可间接加速铁基体降解。例如，采用高能球磨制备的Fe–20Mg合金腐蚀电位降至1.0±0.1 V，电流密度达47.3±4.6 μA/cm²，降解速率提升至0.49±0.08 mm/y。当合金元素含量超过固溶度极限（如银、钯、铂）时，析出的第二相可通过微电偶腐蚀加速基体降解，如Fe–30Mn–Ag合金中富Ag颗粒的析出使其腐蚀电流密度提升至0.89±0.14 μA/cm²，降解速率达0.012 mm/y。此外，锰、硅等元素的加入可诱导马氏体相变，形成的双相结构（γ-奥氏体与ε-马氏体）因电位差异产生微电偶腐蚀，进一步提升降解速率，但亚稳态相的存在可能导致体内力学环境下降解行为不可预测。
   2.2.2 铁/生物陶瓷复合
   铁/生物陶瓷复合可借助生物陶瓷的快速溶解效应提升整体降解速率，但面临界面结合弱、力学性能下降的挑战。羟基磷灰石（HA）、磷酸三钙（TCP）、双相磷酸钙（BCP）、硅酸钙（CaSiO₃）及镁黄长石（bredigite, BR）等生物陶瓷在降解过程中通过多种机制加速铁腐蚀：一是溶解后产生大量表面缺陷，扩大反应面积；二是水解产生H⁺，与铁反应生成氢气，气泡积累导致钝化膜破裂；三是释放Cl^?吸附于钝化膜氧空位位点，引发点蚀；四是气态水解产物作为膨胀剂破坏致密腐蚀产物层。例如，Fe–40TCP（40 vol%）的降解速率达0.196 mm/y，高于纯铁（0.153 mm/y）；Fe–2Pd–10BR的腐蚀电流密度达38±2.0 μA/cm²，降解速率为0.46 mm/y。此类复合材料虽能兼顾力学支撑与骨整合性能，但界面稳定性与长期降解行为的平衡仍需优化。
   2.2.3 表面工程
   表面工程通过改性表层特性调控降解行为，无需改变基体成分，但涂层长期稳定性是关键挑战。离子注入（如锌、钽离子）可改变铁表面粗糙度与化学成分，形成多相纳米结构（如Fe₂O₃–ZnO），通过促进点蚀与增大反应面积加速降解；激光烧蚀可在铁表面构建纳米级氧化物与超亲水微纳结构，使Fe–Mn合金降解速率提升十倍，但改性层耗尽后降解行为将回归基体控制模式；聚合物涂层（如聚乙二醇PEG、聚乙烯亚胺PEI）的水解可降低局部pH值，破坏腐蚀层并促进基体与溶液接触，如Fe–PEI3的降解速率达0.590 mm/y，显著高于纯铁（0.045 mm/y）。然而，涂层与基体的界面结合力、长期服役下的脱落风险及脱落后的降解行为演变仍需深入研究。
   2.2.4 异质结构与磁化
   异质结构（纳米晶/微晶复合）、纳米层状结构及核壳结构通过微电偶效应加速降解，但微观结构在部件加工与服役过程中的稳定性有待验证。例如，激光粉末床熔融制备的Fe–Mn异质结构因晶粒细化（平均晶粒尺寸4.6±3.1 μm）与电化学不均匀性，降解速率显著提升；多层Fe–Zn合金中柱状晶与纳米晶的电位差异形成循环腐蚀机制，实现均匀降解。磁化处理则通过外磁场驱动顺磁性腐蚀产物（FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄）向外迁移，防止其在表面堆积以维持持续腐蚀，如Fe–Ga合金在磁场作用下降解速率从0.13±0.02 mm/y提升至0.25±0.02 mm/y。但该技术的体内磁场维持可行性、长期降解数据及对磁共振成像（MRI）兼容性的影响仍需系统评估。
3. 3.
   铁基骨植入物的力学相容性
   高力学强度与接近骨的弹性模量是铁基植入物的核心要求，以避免应力遮挡并保证植入稳定性。
   3.1 合金化强化机制
   合金化通过固溶强化、析出强化与晶粒细化提升强度。固溶原子引起的晶格畸变阻碍位错运动，如Fe–10Mn合金因奥氏体与马氏体双相形成，抗压屈服强度达1428 MPa；细晶强化通过增加晶界密度抑制位错滑移，如Fe–30Mn–6Si合金经800°C退火5 min后晶粒尺寸降至8.2±3.0 μm，屈服强度与极限抗拉强度分别达443.1±2.6 MPa与1023.0±23.6 MPa。锰、碳、硼等元素的添加可进一步通过第二相析出增强强度，如Fe–Mn–C–B合金的极限抗拉强度达709±19 MPa。但合金化带来的强度提升需与降解过程中的力学稳定性相平衡，目前相关研究仍较缺乏。
   3.2 多孔结构降低弹性模量
   纯铁的弹性模量（211 GPa）远高于松质骨（12.7–13.1 GPa），易导致应力遮挡。引入多孔结构是降低模量的有效途径：当孔隙率达45.6–86.9%时，铁基合金的弹性模量可降至218–845 MPa，匹配松质骨范围。海绵浸渗法制备的高孔隙率（84.1–85.5%）Fe–Mn合金弹性模量为120–370 MPa，接近松质骨，但屈服强度仅6–10 MPa；聚氨酯泡沫模板法制备的多孔铁弹性模量为11.6–17.11 MPa，但屈服强度不足0.5 MPa。因此，需在孔隙率调控中平衡模量与强度，同时需开展体内力学行为与降解耦合机制的深入研究。
4. 4.
   生物相互作用
   4.1 细胞相容性机制
   铁是人体必需元素，适量铁离子（0–10 μg/mL）可促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）代谢活性，但过量（10–50 μg/mL）会通过芬顿反应产生活性氧，引发氧化应激与铁死亡。通过合金化引入锌、镁、锰、铜、钙等营养元素可协同提升生物活性：锌离子促进细胞黏附与增殖，Fe–4.6Zn合金的细胞活性达110±4%；镁离子作为生物过程辅因子，可提升成骨细胞活性，Fe–20Mg合金无细胞毒性；锰、铜、钙的添加可进一步优化细胞响应，如Fe–Mn–Cu合金促进MG–63细胞增殖，Fe–Mn–Ca合金细胞活性高于纯Fe–Mn。生物陶瓷复合通过释放钙、磷、镁、硅等离子促进细胞增殖与碱性磷酸酶（ALP）表达，如Fe–BR复合材料的ALP染色强度显著高于纯铁。多孔结构则通过提供三维仿生微环境、适宜孔径（100–500 μm）与高比表面积，支持细胞迁移、黏附、增殖及血管长入，为骨整合创造有利条件。
   4.2 应用前景
   4.2.1 体内实验关键指标
   可降解铁基植入物的临床转化需通过动物实验验证三大核心指标：成骨性能（涵盖间充质干细胞成骨分化、基质矿化与骨整合，通过osterix/Runx2基因表达、ALP染色、Micro-CT分析及骨/植入物界面组织学染色评估）、降解性能（通过影像学、体积与元素分析追踪植入体降解与新骨替代进程）、生物安全性（通过主要脏器组织学与血液生化分析监测全身反应）。
   4.2.2 植入物的成骨、降解与生物安全性
   现有动物实验表明，Fe–30Mn合金在大鼠股骨缺损模型中降解分数与骨生长分数分别为0.84与0.61，优于316L不锈钢，且血液生化指标正常；Fe–Mn–Cu合金在兔股骨模型中表现出良好的骨整合与新骨形成，肝肾组织学无明显毒性；多孔铁干扰螺钉在猪前交叉韧带重建模型中实现稳定骨整合，开放多孔铁合金在羊模型中显示显著骨长入与良好全身生物相容性，但体内降解速率仍较慢。未来需深入解析成骨分子机制，并系统开展大动物长期安全性与降解行为研究，以推动临床转化。
5. 5.
   结论与展望
   铁基骨植入材料的研究已证明合金化是最具临床转化潜力的策略，通过第二相与晶界调控可实现均匀降解与力学稳定性提升；表面工程具有良好可控性，但需解决涂层长期失效风险；铁/生物陶瓷复合在骨整合方面优势显著，但界面稳定性与力学性能下降问题亟待突破；磁化处理需与其他方法协同以提升实用价值。未来应聚焦材料设计优化（合金成分、生物陶瓷分布、聚合物浓度），结合大动物长期体内实验（猪、羊模型）全面评估降解、力学、成骨与生物安全性，并探索人工智能（AI）在材料性能预测与智能制造中的应用，推动铁基骨植入物向临床转化迈进。