第一作者：黄林均、卢育南、陈凯

通讯作者：陈凯副教授、王喆副研究员、郑玉峰教授、黄永灿副研究员

通讯单位：北京大学深圳医院、北京大学材料学院、上海交通大学附属仁济医院

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202513733#

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锌基合金作为新一代可降解骨科植入材料，因其优异的生物相容性、适宜的降解速率和促进骨再生的特性正成为研究热点。锌作为人体必需微量元素，其降解产物可通过代谢途径安全清除，相比传统镁基和铁基合金，锌基合金的降解速率更匹配骨愈合周期（0.13–0.26 mm/yr），且无氢气副产物。通过合金化（如添加Mg、Li）可显著提升机械性能，例如Zn-0.8Li合金拉伸强度达460 MPa，接近纯钛水平。锌离子释放具有双向调控骨代谢的作用：低浓度（≤50 μM）促进成骨细胞分化并抑制破骨细胞活性，而降解产物Zn₃(PO₄) ₂能直接诱导骨形成。当前锌基合金面临机械不稳定性、抗菌-成骨活性平衡和应力加速降解等挑战，通过热机械加工和微合金化可同步提升强度与延展性，而表面羟基磷灰石涂层可延缓腐蚀。多尺度合金设计结合增材制造技术可定制多孔支架（孔隙率60–80%时弹性模量314–967 MPa），匹配松质骨需求。动物实验显示，Zn-0.8Mg合金犬下颌骨固定板24周降解率为0.095 mm/yr，成骨效果优于聚乳酸。国内已开展锌合金颌面内固定系统和前交叉韧带螺钉临床试验，初步证实其免二次手术的优势。未来需通过大动物长期实验验证降解可控性及系统安全性，突破应力腐蚀抑制和动态离子释放调控技术后，锌基合金有望实现从实验室到临床的转化，成为骨科植入物的革新选择。

背景介绍

肌肉骨骼疾病在全球范围内持续高发，占据了临床病例的显著比例。随着全球人口老龄化加剧，脊柱融合、关节置换和骨折固定等重建修复类骨科手术需求持续激增。骨科植入物通过为骨骼提供结构支撑、负荷承载和运动维持等功能，在确保手术成功方面发挥着关键作用。全球骨科器械市场正处于蓬勃发展期，预计到2025年骨科植入医疗器械市场规模将达到515亿美元。金属植入物（如316L不锈钢、钛合金、钴铬合金和钽）凭借优异的机械性能和生物相容性被广泛应用，但其作为长期植入物可能导致应力屏蔽和免疫排斥，往往需要二次手术取出。为解决这些问题，可降解金属材料逐渐成为研究热点，其中镁（Mg）、铁（Fe）和锌（Zn）基合金因其可在体内逐渐降解的特性备受关注。目前，镁基和铁基合金已部分应用于临床（如MAGNEZIX^®螺钉、Magmaris^®药物洗脱支架等），而锌基合金虽尚处临床前研究阶段，但其降解速率适中、力学性能良好、兼具抗菌活性且降解产物可完全吸收，展现出显著的骨科应用潜力。尽管现有研究对锌合金的细胞毒性、表面改性或特定应用系统（如心血管支架、颌面材料等）进行了探讨，但多忽视了骨科植入微环境特性的临床实用性。本文从材料科学、腐蚀科学和生物学多角度系统评估了可降解锌基骨科植入物的临床适用性，并综合比较了合金化与热机械加工、表面处理、增材制造和粉末冶金四种工程化制备方法，提出通过纳米尺度合金成分调控、介观尺度表面/界面工程和宏观尺度植入体设计的跨尺度策略优化其生物学性能。通过系统检索Web of Science数据库中263篇相关文献，本研究为锌基合金从基础研究到临床转化搭建了重要桥梁。

研究出发点

1）本研究首次将多尺度工程化（原子尺寸→亚微观结构→微管结构→宏观结构）与分期匹配的Zn²⁺释放/力学适配性串联在一起，直击“既要能撑、又要会退”的临床痛点。

2）本文充分总结和综述了近年来关于可降解锌基骨科植入物的研究进展，并且从其临床可行性及四种材料调控方式（合金化+热变形、表面改性、增材制造和粉末冶金）来协同调控锌基骨植入物的生物学活性。

3）本文总结了我国近年来可降解锌基骨植入物的最新临床研究，并针对其临床转化的研究现状，综述了其面临的一系列问题，为其产业化提出了宝贵意见。

图文解析

图1展示了可降解锌基骨科植入物的材料特性与生物特征，以及当前用于功能化锌基植入物性能修饰的工程化技术（多尺度材料特性调控）。图中通过可视化方式整合了锌基材料的生物相容性、降解行为、力学性能等关键参数，并系统呈现了合金化与热机械加工、表面处理、增材制造和粉末冶金四种工程方法如何通过纳米尺度合金成分调控、介观尺度表面/界面工程以及微观/宏观尺度植入物设计来优化植入物性能。该示意图强调了从基础材料研究到临床转化的桥梁作用，突出了多尺度策略在协调降解速率与骨再生时序匹配中的重要性。

图1. 可降解锌基骨科植入的材料属性与生物学特征，以及工程化改性技术全景（合金化+热力加工/表面处理/增材/粉冶），体现多尺度（纳-介-微/宏）调控思路.

图2展示了锌基植入物的生物相容性研究结果，包括细胞内Zn²⁺稳态调控机制、Zn²⁺浓度依赖性对细胞形态和凋亡的影响、体外细胞相容性测试中HCAECs、HOBs和hMSCs在锌基植入物表面的增殖情况、锌及不同锌降解产物的血液相容性以及锌合金在大动物实验的体内安全性。这些数据系统性地验证了锌基材料在不同生物层面的相容性表现，包括细胞活性、血液相容性和体内组织反应等关键指标。

图2. 可降解锌基骨植入物的生物相容性评估

图3展示了锌基植入物的生物降解行为，包括Zn-H₂O和Zn-X-H₂O系统（X=C、P）在生理条件下的Pourbaix相图，揭示了Zn在不同电位和pH值下的稳定相态；同时呈现了不锈钢（SS）、WE43镁合金和纯锌在Hank's溶液中浸泡3个月后的表面形貌对比，定量分析了降解速率和pH变化，以及大鼠股骨植入8周后锌基二元合金的纵向截面显微图像，展示了降解产物与新骨形成的界面状态，并提出了理想锌基植入物在骨愈合各阶段（炎症期、纤维血管期、骨形成期和重塑期）的Zn²⁺释放动力学模型，强调降解速率与骨再生时序匹配的重要性。

图3. 可降解锌基骨植入物的降解行为

图4展示了锌基植入物的机械性能表现，包括时间依赖性生物力学相容性曲线、合金元素与热机械加工对拉伸强度的影响关系，以及锌基/镁基合金与其他金属/聚合物骨科植入物的拉伸强度和弹性模量综合对比。图中特别强调了锌合金在骨愈合各阶段（炎症期、纤维血管期、骨形成期和重塑期）需维持的机械稳定性要求，并通过定量数据揭示了合金化元素（如Mg、Li）和加工工艺（如静液挤压）对力学性能的调控机制。此外，图表系统比较了锌基材料与钛合金、不锈钢等传统植入材料的力学参数差异，突出了锌基合金在力学适配性方面的优势。

图4. 可降解锌基骨植入物的力学性能

图5展示了锌在骨微环境中的多重生理作用，包括骨愈合五阶段示意图、骨髓细胞群组成及锌离子细胞内稳态调控机制。图中重点解析了锌通过BMP-2信号通路调控成骨细胞分化、抑制RANKL诱导的破骨细胞生成以及通过Smad通路激活调节性T细胞的生物学效应，突出了锌作为"双向调节剂"在骨代谢中的独特作用。图6则呈现了锌基植入物中成骨细胞、破骨细胞与免疫细胞的相互作用：通过举例Zn-0.8Mg合金浸提液通过PI3k/Akt和GRB2/ERK通路双向调节成骨分化和破骨抑制，并在动物模型中促进骨愈合；此外讨论了Zn²⁺诱导巨噬细胞向M2型极化，通过免疫调节创造促骨生成微环境，最终在股骨植入模型中实现优于钛植入体的骨整合效果。两幅图共同揭示了锌基材料通过多细胞协同机制协调骨再生过程的分子基础。

图5. 锌刺激的细胞反应及其潜在的分子机制

图6. 锌刺激成骨细胞、破骨细胞和免疫细胞之间的串扰

图7展示了锌基植入物的抗菌机制和抑菌表现，包括Zn²⁺/ZnO纳米颗粒的抗菌机理示意图，揭示了锌离子通过破坏细菌细胞膜、催化产生活性氧（ROS）以及干扰核酸代谢的三重杀菌机制；同时呈现了Zn²⁺对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的最低抑菌浓度（MIC≈10 μM）及剂量依赖性抑菌率曲线，以及Zn-Cu合金通过Zn²⁺/Cu²⁺协同释放实现的协同抗菌和抗生物膜效果。图中还特别强调了Zn-Li-Ag合金在动物模型中表现出的显著抗菌活性，其通过Zn²⁺/Ag⁺耦合双重调控机制（代谢干扰和ROS爆发）同时具备抗菌和促成骨功能。

图7. 可降解锌基骨植入物的抗菌活性及抗菌机制

图8展示了锌基植入物在伤口愈合中的作用机制及其促血管生成特性，包括Zn参与伤口四阶段（止血、炎症、增殖和重塑）的关键作用，60μM Zn²⁺最佳促进内皮细胞形态延伸和迁移，以及通过上调HIF-1α/VEGF通路增强血管新生，同时呈现锌基缝合线和手术钉在动物模型中的降解表现。

图8. 锌作为伤口愈合器械的能力及相关应用设计

图9展示了锌基植入物的表面改性策略，包括物理改性（如等离子喷涂和喷丸处理）、化学/电化学处理（如微弧氧化和等离子浸没离子注入）以及功能性涂层技术（如合成/天然聚合物涂层和智能响应涂层），这些方法通过调控表面形貌和化学组成来优化植入物的降解行为和生物相容性。

图9. 表面改性分类及锌基表面改性研究进展

图10展示了增材制造锌基骨科植入物的创新设计与进展，包括粉末成分优化、激光参数调控、表面微结构工程和宏观支架结构设计，通过多尺度策略（纳米合金调控到宏观结构配置）协同优化力学性能、降解行为和骨整合效果。

图10. 增材制造锌基骨植入物的研究进展及多尺度调控方式

总结与展望

本研究系统探讨了锌基合金作为新一代可降解骨科植入材料的潜力，通过多学科交叉研究揭示了其在生物相容性、降解行为、力学性能和细胞相互作用方面的独特优势。实验证实锌基植入物在生理环境中表现出适中的降解速率，其释放的Zn²⁺通过BMP-2信号通路促进成骨细胞分化，同时抑制RANKL诱导的破骨细胞生成，形成独特的"双向调控"骨代谢机制。本研究还讨论了包括合金化、表面改性、增材制造和粉末冶金在内的多尺度工程策略，其中激光粉末床熔融技术制备的Zn-Li支架弹性模量可调至314-967 MPa，有效匹配松质骨力学需求。这项工作不仅证实了锌基材料通过协调降解速率与骨再生时序实现功能性重建的可行性，更为开发兼具力学稳定性、生物活性和抗菌性能的智能骨科植入物提供了新思路，通过纳米-介观-宏观跨尺度设计有望推动其临床转化应用。

课题组介绍

郑玉峰教授课题组主页：https://lbmd.coe.pku.edu.cn/

原文信息

L. Huang,Y. Lu, K. Chen, et al. “ Bridging Research and Application: Zn-Based Alloys as Next-Generation Biodegradable Orthopedic Implants.” Adv. Mater. (2025): e13733. https://doi.org/10.1002/adma.202513733