激光 3D 打印出具有高強(qiáng)度與抗菌的鋅銅合金

來源：EFL生物3D打印與生物制造

植入物相關(guān)感染（IAIs）是骨科手術(shù)面臨的重大挑戰(zhàn)，不僅會導(dǎo)致慢性炎癥、植入失敗，還會增加患者負(fù)擔(dān)。目前，全身抗生素治療存在局部濃度不足和全身毒性風(fēng)險，功能涂層也面臨載藥有限和涂層脫落等問題。來自解放軍總醫(yī)院的李巖峰教授團(tuán)隊與清華大學(xué)的溫鵬副教授團(tuán)隊合作，針對可降解鋅基植入物機(jī)械強(qiáng)度不足、鋅離子濃度難以兼顧成骨和抗菌效果的痛點，通過合金設(shè)計和微結(jié)構(gòu)改性，結(jié)合激光粉末床熔融技術(shù)，開發(fā)出Cu合金化并經(jīng)熱處理的Zn基植入物，實現(xiàn)了成骨和抗菌性能的雙重提升。相關(guān)工作以“Osteogenic and antibacterial enhancement by alloying design and microstructural modification of additively manufactured biodegradable metals”為題發(fā)表在《Biomaterials》上，解放軍總醫(yī)院的李巖峰教授、趙彥濤副教授和清華大學(xué)的溫鵬副教授為通訊作者。

研究內(nèi)容
通過電子顯微鏡觀察、X射線衍射分析、硬度測試和拉伸實驗等方法，研究了純鋅、Zn-2Cu合金和熱處理后的HT/Zn-2Cu合金的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。結(jié)果表明，熱處理促使合金中析出強(qiáng)化相ε-CuZn?，其中HT/Zn-2Cu的屈服強(qiáng)度最高，達(dá)到203兆帕，機(jī)械強(qiáng)度顯著提升。  

圖 1. 鋅、Zn-2Cu 和 HT/Zn-2Cu 的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。

通過測量材料表面電位、腐蝕電流，檢測浸泡液中離子濃度以及分析降解產(chǎn)物成分等方法，研究了材料在模擬體液中的降解行為。結(jié)果表明，熱處理加速了材料的降解過程，HT/Zn-2Cu釋放的鋅離子和銅離子濃度更高，且降解產(chǎn)物主要為氧化鋅、磷酸鋅等無害物質(zhì)。  

圖 2. 鋅、Zn-2Cu 和 HT/Zn-2Cu 的體外降解行為。

通過細(xì)胞培養(yǎng)實驗（觀察細(xì)胞存活、增殖情況），研究了材料提取物對成骨細(xì)胞的毒性和相容性。結(jié)果表明，高濃度提取物對細(xì)胞有毒性，但25%濃度的HT/Zn-2Cu提取物細(xì)胞相容性最佳，細(xì)胞生長狀態(tài)良好。  

圖 3. 鋅、Zn-2Cu 和 HT/Zn-2Cu 的細(xì)胞相容性。

通過堿性磷酸酶染色、礦化結(jié)節(jié)染色和基因表達(dá)檢測等方法，研究了材料對成骨細(xì)胞分化的影響。結(jié)果表明，HT/Zn-2Cu能顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞分泌堿性磷酸酶、形成礦化結(jié)節(jié)，并上調(diào)COL-I、OPN、Runx2等成骨相關(guān)基因的表達(dá)。

圖 4. 鋅、Zn-2Cu 和 HT/Zn-2Cu 的體外成骨分化。

通過平板計數(shù)、細(xì)菌活死染色、生物膜染色和掃描電鏡觀察等方法，研究了材料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌性能。結(jié)果表明，HT/Zn-2Cu的抗菌效果最強(qiáng)，能有效殺死細(xì)菌、破壞生物膜，并誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生過量活性氧導(dǎo)致其死亡。

圖 5. 鋅、Zn-2Cu 和 HT/Zn-2Cu 的體外抗菌活性。

通過對細(xì)菌進(jìn)行基因測序和生物信息學(xué)分析，研究了HT/Zn-2Cu的抗菌分子機(jī)制。結(jié)果表明，HT/Zn-2Cu通過干擾細(xì)菌的代謝通路、細(xì)胞膜合成、DNA復(fù)制等多個途徑發(fā)揮抗菌作用，相比純鋅影響的基因通路更廣泛、調(diào)控作用更強(qiáng)。  

圖 6. 鋅和 HT/Zn-2Cu 對金黃色葡萄球菌的 DNA 測序分析。

通過顯微CT掃描、組織切片染色和電鏡能譜分析等方法，研究了材料在大鼠骨缺損模型中的成骨效果。結(jié)果表明，HT/Zn-2Cu能顯著促進(jìn)新骨形成和骨整合，其骨體積分?jǐn)?shù)、骨小梁數(shù)量和厚度均優(yōu)于純鋅和Zn-2Cu合金。  

圖 7. 鋅、Zn-2Cu 和 HT/Zn-2Cu 的體內(nèi)成骨性能。

通過監(jiān)測大鼠體溫、檢測血清炎癥因子和細(xì)菌培養(yǎng)計數(shù)等方法，研究了材料在感染模型中的體內(nèi)抗菌性能。結(jié)果表明，HT/Zn-2Cu能有效降低感染引起的體溫升高和炎癥反應(yīng)，減少植入物周圍的細(xì)菌數(shù)量，控制感染的效果最佳。

圖 8. 鋅、Zn-2Cu 和 HT/Zn-2Cu 的體內(nèi)抗菌活性。

通過繪制機(jī)制示意圖，研究了HT/Zn-2Cu的抗菌作用路徑。結(jié)果表明  ，鋅離子和銅離子通過破壞細(xì)菌細(xì)胞膜、誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、干擾細(xì)菌呼吸鏈和DNA合成，以及材料表面直接接觸殺菌等多種方式協(xié)同發(fā)揮抗菌作用。

圖 9. 抗菌機(jī)制。

研究結(jié)論
本研究證實，增材制造鋅基植入物經(jīng)合金設(shè)計與微結(jié)構(gòu)改性后，有望成為預(yù)防植入物相關(guān)感染的理想材料。合金設(shè)計形成過飽和固溶體，是機(jī)械強(qiáng)度提升的主要原因。微結(jié)構(gòu)改性促使ε-CuZn?相析出，加速電偶腐蝕，增加了Zn2?和Cu2?的釋放。Cu合金化與熱處理結(jié)合顯著改善了植入物的成骨與抗菌效果。Zn2?和Cu2?的協(xié)同作用，不僅能促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、上調(diào)成骨相關(guān)基因表達(dá)，還能破壞細(xì)菌細(xì)胞膜、誘導(dǎo)氧化應(yīng)激。該方法有效實現(xiàn)了植入物的雙重功能化，在需要骨再生和感染控制的臨床應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2025.123481