中科院金屬所張興研究員團隊&解放軍總醫院唐佩福院士、李明教授團隊：骨修復仿生支架設計方面取得新進展

大尺寸骨缺損修復長期面臨一個核心難題：支架材料往往很難同時兼顧足夠的力學支撐能力與優異的生物活性。現有的仿生骨修復材料雖然具備一定促再生潛力，但由于多級結構不足、孔隙率較高或礦物相不穩定，常常難以滿足大尺寸缺損修復對強度、韌性和長期成骨性能的綜合要求。螳螂蝦附肢中的“馬鞍”結構因其外層高礦化、內層富有機相的梯度層狀構型，兼具高強度、高韌性和抗沖擊能力，為高性能骨修復支架設計提供了重要啟發。與此同時，非晶磷酸鈣（ACP）作為天然礦化前驅體，具有較高溶解活性和骨親和性；Zn2?又可進一步促進血管生成和骨再生。因此，如何將“結構仿生”，“成分仿生”和“功能仿生”整合到同一骨修復支架中，成為該研究試圖解決的關鍵問題。

近期，中國科學院金屬研究所仿生醫用材料課題組張興研究員團隊聯合解放軍總醫院骨科醫學部唐佩福院士、李明教授團隊在骨修復仿生支架設計方面取得新進展。研究人員以螳螂蝦馬鞍結構為原型，采用雙向冷凍鑄造、慢速離心自組裝和熱壓致密化相結合的方法，構建出一種三重仿生的Zn2?摻雜非晶磷酸鈣/幾丁質支架（ACZP/CT）。該支架形成了高礦化致密外層結合有機質層狀纖維內層的梯度結構；其中ACZP由約1-2 nm納米團簇構成，進一步組裝成約25 nm顆粒和約250 nm團聚體。通過60℃熱壓工藝，支架成功保持了非晶礦物相；熱重分析顯示，支架外層礦物含量約為62.02%，內層約為21.39%，體現出明顯的梯度礦化特征。在力學性能方面，該仿生支架表現出明顯優勢。其彎曲強度約為160.09 MPa，斷裂韌性最高可達10.08 MPa·m1/2，明顯優于對照組，顯示出良好的承載骨修復潛力。研究進一步發現，這種優異韌性并非來自單一增強，而是源于梯度層間復雜裂紋擴展、纖維撕裂、礦物-纖維脫黏以及層間滑移等多重耗能機制的協同作用。在生物學方面，ACZP/CT支架能夠持續釋放Ca2?和Zn2?，顯著促進成骨細胞分化和內皮細胞血管化行為，同時上調多種成骨和促血管生成相關基因。動物實驗進一步證實，該支架在大鼠顱骨缺損模型中表現出優異修復能力，植入6個月后骨體積分數（BV/TV）達到68.39%，顯示出良好的骨再生效果。RNA測序結果表明，該支架可協同激活PI3K-Akt、MAPK和HIF-1等關鍵信號通路，從而促進血管生成與成骨耦合。

綜上，該研究構建的ACZP/CT支架通過“結構-成分-功能”三重仿生設計，有效解決了骨修復材料中高力學支撐與高生物活性難以兼得的問題，為骨缺損修復提供了具有臨床轉化潛力的新策略。該工作發表于Bioactive Materials，題為“Mantis shrimp saddle-mimetic amorphous calcium (zinc) phosphate/chitin scaffolds with superior mechanical properties and bioactivity for bone regeneration”。趙紫濠博士生與高建朋博士后為本文章共同第一作者，李明教授與張興研究員為共同通訊作者。

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DOI：10.1016/j.bioactmat.2026.02.001

圖1 天然螳螂蝦“馬鞍”結構與仿生ACZP/CT支架的結構對比

圖2 仿生ACZP/CT支架制備過程及相組成、微觀結構表征

圖3 仿生ACZP/CT支架的力學性能分析

圖4 仿生ACZP/CT支架裂紋擴展路徑與增韌機制分析

圖5 不同支架體外促成骨能力評價

圖6 不同支架體外促血管生成能力評價

圖7 大鼠顱骨缺損模型中不同支架的骨修復效果評價

圖8 ACZP/CT支架血管生成-成骨耦合機制的RNA測序分析

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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