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背景介绍

骨折内固定是骨科最常见的治疗手段之一，股骨、胫骨等承重骨的固定目前仍高度依赖医用钛合金（如Ti-6Al-4V），其抗拉强度可达850 MPa以上。然而，钛合金在体内的长期留存会引发两大问题：一是应力屏蔽效应——弹性模量远高于天然骨，导致植入物周围骨组织因缺乏力学刺激而发生废用性骨吸收；二是异物反应，需要二次手术取出植入物，增加患者痛苦和医疗负担。理想的骨修复材料应兼具高强度（满足承重需求）、可降解性（无需二次手术）和成骨活性（促进骨愈合）。锌（Zn）作为骨代谢必需的微量元素，已被证明在适宜浓度下能促进骨再生，且其力学性能优于可降解镁合金，是新一代可降解骨材料的候选者。然而，锌合金的强度始终无法达到钛合金水平，限制了其在承重骨修复中的应用。

研究思路

针对上述挑战，北京大学材料科学与工程学院郑玉峰教授、北京航空航天大学杨宏韬副研究员、上海交通大学医学院附属仁济医院曲新华研究员团队团队提出了一种稀土微合金化策略，在前期开发的Zn-0.8Li-0.1Mn三元合金基础上，系统筛选了五种稀土元素（Y、Gd、Eu、Nd、Sm），并以微量（0.3或0.5 wt%）形式引入，旨在在不大幅牺牲塑性和生物安全性的前提下进一步提升强度。研究发现，稀土元素以REZn₁₁₋₁₃金属间化合物形式存在于合金中，主要分布在等轴晶区域，与Zn基体形成非共格界面。以Y为例，YZn₁₂相通过以下三种机制实现强化：（1）诱导双峰晶粒结构（细晶<10 μm占比约75%，粗晶约50 μm占比约25%），产生异质变形诱导的背应力强化；（2）织构强度较ZLM合金提升近7倍，改变施密特因子分布，降低滑移系激活概率；（3）YZn₁₂与Zn基体间的大取向差和非共格界面造成局部应力集中和位错塞积。最终，Zn-0.8Li-0.1Mn-0.5Y合金的抗拉强度达到772 MPa，弯曲强度高达1207 MPa，首次将可降解锌合金的强度提升至接近Ti-6Al-4V的水平。更为关键的是，REZn₁₁₋₁₃相的电极电位介于Zn（-0.76 V）和LiZn₄（-3.04 V）之间，在三相体系中充当“电位缓冲器”，将原本较大的电位差分解为两个较小的电位差，从而降低电偶腐蚀驱动力，使合金以均匀腐蚀模式降解，实现Zn²⁺的可控释放。在SD大鼠股骨髁临界尺寸骨缺损模型中，ZLM-0.5Y合金植入物周围的新骨生成量（BV/TV）达Ti-6Al-4V对照组的近两倍。转录组学揭示，Zn基降解产物激活了Rap1信号通路，通过MEK/ERK和PI3K/Akt下游通路促进间充质干细胞向成骨细胞分化，同时增强成骨细胞与细胞外基质的黏附，最终驱动骨基质合成与矿化。相关内容以Rare-Earth modified biodegradable Zn alloys with high strength and enhanced osteogenesis发表在Nature Communications！

图片解析

图1. ZLM-RE合金的力学性能与微观结构：（A）Zn-RE二元相图（RE=Y、Gd、Sm、Eu、Nd）。（B）ZLM及ZLM-RE合金的XRD图谱。（C）ZLM及ZLM-RE合金中第二相的背散射图像（红色箭头标示REZn₁₁₋₁₃相）。（D）各合金的抗拉强度（UTS）、屈服强度（YTS）、延伸率和维氏硬度（HV）统计（n=3），虚线为ZLM基体性能基准线。（E）常见医用金属的UTS与延伸率对比及骨科应用定位，ZLM-0.5Y达到772 MPa，接近Ti-6Al-4V水平。

图2. Zn、Zn-Li、Zn-Li-Mn及Zn-Li-Mn-Y合金的EBSD与TEM表征：（A）EBSD晶粒取向图、晶粒尺寸分布（内嵌图）、Zn相在挤压方向的反极图（IPF）及KAM残余应力图。ZLM-0.5Y中可见YZn₁₂第二相及其与Zn等轴晶基体间的局部应力集中（白色圆圈标示）。（B）TEM明场像及对应的高分辨图像、EDS面扫和相界面衍射花样，显示Zn/LiZn₄共析片层间距约300 nm，YZn₁₂相与Zn基体形成非共格界面。

图3. ZLM-0.5Y合金的原位力学性能：（A）原位拉伸过程中的应力-应变曲线及对应特征点（弹性变形、屈服点、塑性变形）的SEM图像、EBSD晶粒取向图、KAM残余应力图和IPF（ED方向）。（B）压缩应力-应变曲线及对应的压缩屈服强度（CYS）和极限压缩强度（UCS，n=3）。（C）弯曲应力-应变曲线及对应的弯曲屈服强度（BYS）和极限弯曲强度（UBS，n=3），ZLM-0.5Y的UBS达1207 MPa。原位实验显示YZn₁₂相在屈服点开始萌生微裂纹，裂纹随后扩展至周围Zn基体，最终导致宏观断裂。

图4. ZLM-RE合金在模拟体液（SBF）中的腐蚀行为：（A）Tafel极化曲线和电化学阻抗谱（EIS），腐蚀电流密度见附表2。（B）SBF中浸泡28天后的腐蚀形貌光学显微照片。（C）失重法计算的腐蚀速率及28天溶液pH变化（n=3）。（D）腐蚀产物的EDS定量、XRD、FTIR和XPS分析，确认主要产物为ZnO、Zn₃(PO₄)₂和Ca-P配合物，稀土元素未在腐蚀产物中检出。

图5. ZLM-RE合金植入物在大鼠股骨髁临界缺损模型中的成骨促进作用（1个月） ：（A）Micro-CT三维重建图像及定量分析（BV/TV，n=5），显示ZLM-RE合金植入物周围的新骨生成量。（B）Van Gieson染色的植入物-骨界面图像及骨面积比定量（n=3）。ZLM-0.3Gd、ZLM-0.5Y和ZLM-0.3Eu组的骨体积和骨面积比显著高于Ti-6Al-4V对照组。

图6. ZLM-RE合金植入物的体内降解行为（3个月） ：（A）植入物横截面的背散射电子图像（BSE）及对应的XRF元素面分布图。白色箭头指示Zn的降解信号，黄色虚线标示植入物轮廓。稀土元素信号在周围组织中未检出。（B）植入物-骨界面的二次电子图像及对应的元素面分布，NB为新骨，FB为纤维组织。ZLM-RE合金植入物表面可见约50 μm厚的界面组织层及少量降解产物，而Ti-6Al-4V组无元素释放或降解产物。

图7. 组织学染色与转录组学分析：（A）植入部位1个月和3个月的H&E、Masson及COL-1、OPN、IL-10、TNF-α的免疫组化染色。ZLM-RE合金组在1个月时炎症较Ti-6Al-4V组稍强，至3个月时消退；IL-10表达高于TNF-α提示促愈合型巨噬细胞占优；COL-1和OPN表达显著高于对照组，证实新骨形成被有效促进。（B）ZLM-0.5Y处理组相对于对照组的GO富集分析和显著上调的KEGG通路，显示Rap1信号通路的显著激活及“骨骼系统发育”“成骨细胞分化调控”“骨化调控”等生物学过程的上调。

图8. 机制总结示意图：（A）ZLM与ZLM-0.5Y合金的微观结构与强化机制对比。（B）三相体系（Zn、YZn₁₃、LiZn₄）中电偶反应的Evans图解，Ia为阳极腐蚀电流密度，Ic为阴极腐蚀电流密度，Ig为电偶腐蚀电流密度，YZn₁₃充当“电位缓冲器”降低腐蚀驱动力。（C）植入物降解离子释放激活的成骨信号通路示意图，Zn基降解产物通过激活Rap1信号通路促进成骨分化。

结论

本研究通过向Zn-0.8Li-0.1Mn合金中引入微量稀土元素Y，成功开发出Zn-0.8Li-0.1Mn-0.5Y合金，首次将可降解锌合金的抗拉强度提升至772 MPa（较ZLM基体提高约40%）、弯曲强度达1207 MPa，达到医用钛合金的水平。YZn₁₂相通过诱导双峰晶粒结构、强化织构和非共格界面应力集中三重机制实现超常强化。同时，YZn₁₂相作为“电位缓冲器”将电偶腐蚀驱动力分散，使合金以均匀腐蚀模式降解，实现Zn²⁺的可控释放。在大鼠股骨髁临界缺损模型中，ZLM-0.5Y植入物的新骨生成量是Ti-6Al-4V对照组的两倍，其机制涉及Zn基降解产物激活Rap1信号通路，促进成骨分化和骨基质矿化。该材料兼具超高强度、可降解性和优越成骨活性，为下一代承重骨修复植入物提供了理想的材料平台。

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