一、研究背景

颌面部创伤、颌骨囊肿、肿瘤等导致的颌面骨缺损，不仅影响咀嚼、语音等生理功能，还关乎面部外形美观，是口腔修复领域的重大临床难题。目前自体骨移植仍是临床金标准，但存在供体有限、外形难以匹配、二次手术创伤等缺陷，亟需性能优异的人工骨修复材料。

现有骨修复支架主要分为两类：可降解生物陶瓷与高分子支架往往力学强度不足，难以支撑颌骨受力；钛、钽等不可降解金属虽力学匹配，但会永久留存体内，长期存在金属离子释放、应力遮挡等风险。因此，开发兼具力学适配性、可降解性与成骨活性的新型支架材料成为骨组织工程的核心方向。

锌（Zn）是人体必需微量元素，约85%分布于骨骼与肌肉中，参与多种酶的催化与调节，可通过促进成骨细胞分化、抑制破骨细胞活性来加速骨形成，同时降解速率适中，是极具潜力的可降解植入材料。氧化锌（ZnO）则被证实可促进成骨、诱导血管内皮细胞生长，并具备广谱抗菌性能，能有效降低植入术后感染风险。

3D打印可精准定制多孔支架的宏观与微观结构，适配不同缺损部位的力学需求。在金属增材制造技术中，激光粉床熔融（L-PBF）加工纯锌时，因锌熔点低、沸点低、化学活性高，易出现材料蒸发、燃烧爆炸等安全问题；而粘结剂喷射3D打印（BJ）在室温下成型，无需保护气氛，无支撑结构，粉末利用率接近100%，更适合锌基多孔支架的规模化制备。

本研究采用BJ技术制备具有三周期极小曲面（TPMS）螺旋结构、75%孔隙率的多孔ZnO/Zn支架，通过调控烧结温度（800~1100℃）调节表面ZnO含量与微观结构，系统评价支架的物相、力学、腐蚀性能，并从细胞、分子、动物层面全面验证其成骨、成血管、抗菌活性与体内生物安全性，为颌面骨缺损修复提供新型可降解植入方案。

二、研究内容

2.1 实验材料与制备工艺

（1）结构设计

采用Wolfram Mathematica 12.2设计TPMS螺旋结构（Gyroid）模型，设计孔隙率75%。通过Materialise Magics 24.0切割为两类试样： 圆柱试样（直径6 mm × 高度10 mm）用于力学、腐蚀等测试； 圆片试样（直径6 mm × 厚度2 mm）用于细胞、抗菌及体内植入实验。

（2）原材料

采用氮气雾化纯锌粉（长沙天久金属材料有限公司），纯度≥99.98 wt%，粉末球形度高，平均粒径2.56 ± 1.13 μm。打印粘结剂为ExOne供应的水基配方，主要成分为乙二醇单丁醚（EGBE）、异丙醇（IPA）、乙二醇（EG）。

（3）3D打印与后处理工艺

1. 打印成型：使用德翼纬Innovent金属3D打印机制备支架生坯，采用逐层铺粉、选择性喷射粘结剂的方式成型。
2. 初步固化：打印完成后，带粉整体置于烘箱中195℃热处理2 h，提升生坯强度并部分去除粘结剂。
3. 脱脂与烧结：生坯放入马弗炉中空气气氛下进行热脱脂与烧结：
   • 脱脂阶段：室温以10℃/min升温至460℃，保温2 h，完全分解去除粘结剂；
   • 烧结阶段：继续以10℃/min分别升温至800、900、1000、1100℃，保温1.5 h，实现颗粒烧结与表面氧化；
   • 随炉自然冷却，得到最终ZnO/Zn多孔支架。

实验设置对照组：相同尺寸的商用纯钛（CP Ti，99.99%）与商用纯锌（CP Zn，99.99%）实心圆片。

2.2 微观结构与物相表征

采用SEM+EDS、XRD、显微CT对支架进行多尺度表征：

• 物相组成：所有烧结支架均由α-Zn与ZnO两相组成；随烧结温度从800℃升至1100℃，α-Zn体积分数从29.2%降至2.0%，ZnO占比同步升高，证实升温促进锌氧化。
• 宏观孔隙：四组支架孔隙率为72.6%~75.7%，体积、表面积组间差异小于10%，打印与烧结的尺寸精度高。
• 表面形貌演变： 800℃时支架支柱表面残留未完全熔融的球形颗粒，呈树枝状ZnO结构； 温度升高，颗粒逐渐熔合，ZnO形貌从树枝状向蜂窝状转变； 1100℃时表面形成平整的蜂窝状ZnO层。

表2 图1中不同标记点的EDS元素组成

2.3 力学性能测试

依据ISO 13314标准进行压缩测试，同时测试维氏显微硬度，观察压缩断口形貌：

• 抗压强度与弹性模量：随烧结温度升高呈先升后降趋势，1000℃时达到峰值——抗压强度4.8 ± 0.6 MPa，弹性模量0.75 ± 0.16 GPa，力学性能与人松质骨（0.8~11 MPa）相匹配，满足颌骨非承重区修复需求。
• 显微硬度：各组间无显著差异，1000℃组最高，为45.9 ± 2.9 HV。
• 断裂机制：均为典型脆性断裂，沿颗粒烧结颈处解离；温度升高至1000℃时，颗粒间冶金结合增强，力学性能提升；1100℃时烧结颈过度氧化，导致力学性能下降。

2.4 电化学腐蚀性能

在37℃ Hanks模拟体液（pH 7.4）中进行动电位极化（PDP）与电化学阻抗谱（EIS）测试，评价支架降解行为：

• 随烧结温度升高，支架腐蚀电位逐渐正移，腐蚀电流密度与腐蚀速率持续降低；800℃组腐蚀速率为1094.0 μm/y，1100℃组降至448.1 μm/y，耐蚀性随ZnO层增厚而提升。
• EIS结果显示，1100℃组容抗弧直径最大、电荷转移电阻最高，形成最稳定的物理屏障，可有效抑制腐蚀介质渗透，防腐性能最优。

表3 不同烧结温度支架的电化学腐蚀参数

2.5 体外细胞相容性评价

采用小鼠前成骨细胞MC3T3-E1与人脐静脉内皮细胞HUVEC两种细胞，依据ISO 10993-5标准通过浸提液法评价细胞相容性：

1. 浸提液制备：按1.25 mL/cm²的体积表面积比，将样品浸入对应培养基中，标准培养条件下浸提3天，测定Zn²⁺浓度。
2. Zn²⁺释放规律：烧结温度越高，支架Zn²⁺释放量越低；多孔ZnO/Zn支架的Zn²⁺释放量低于致密纯锌，源于表面ZnO钝化层与多孔结构的传质限制共同作用。
3. 细胞活力：25%浓度浸提液下，所有支架组细胞活力均优于或接近空白对照，无明显细胞毒性；高浓度下纯锌组毒性显著，而支架组仍保持良好相容性。
4. 活死与细胞骨架染色：25%浸提液培养3天后，细胞铺展良好、伪足清晰，仅极少量死细胞，证实支架具备优异的生物相容性。

2.6 体外抗菌性能评价

以金黄色葡萄球菌（S. aureus，骨植入感染主要致病菌）为模型，通过抑菌圈法、CFU计数与SEM观察评价抗菌性能：

• 所有烧结支架均表现出明确的抗菌效果，抑菌圈直径随温度升高而减小：800℃组最大（12.0 ± 0.4 mm），1100℃组最小（3.1 ± 1.6 mm）。
• 抗菌机制源于Zn²⁺释放与ZnO形貌的协同作用：低温下树枝状ZnO比表面积大，局部离子释放快，抗菌性强；高温下ZnO致密化，溶解速率降低，抗菌性相应减弱。

2.7 体外成骨与成血管活性

基于力学与相容性结果，选取1000℃烧结支架的25%浸提液开展成骨与成血管功能评价。

（1）成骨分化能力

• ALP与矿化染色：7天ALP染色、21天茜素红S（ARS）矿化染色均显示，ZnO/Zn支架组成骨活性显著优于纯锌组与空白对照组，基质矿化结节更多、面积更大。
• 成骨基因表达：RT-qPCR结果证实，支架组可显著上调ALP、RUNX2、COL-1、OCN等成骨相关基因的表达，促分化能力强于纯锌。

（2）成血管能力

• 细胞划痕实验：支架组可显著促进HUVEC迁移，迁移率高于纯锌组与对照组。
• Matrigel成管实验：支架组形成的管状结构节点数、分支数显著更多，可诱导更完整的类血管网络，证实其优异的促血管生成潜力。

表1 RT-qPCR引物序列

2.8 体内成骨整合与生物安全性

建立新西兰兔股骨髁骨缺损模型（直径6 mm、深度2 mm），植入1000℃烧结ZnO/Zn支架与纯钛对照，饲养3个月后取材分析：

• 显微CT分析：ZnO/Zn支架周围新生骨小梁更致密、排列更规则，骨体积分数（BV/TV）、骨小梁数量（Tb.N）、骨小梁厚度（Tb.Th）均显著高于纯钛组，骨小梁分离度（Tb.Sp）更低，证实其可显著促进骨整合。
• 组织学染色：H&E、Masson染色显示支架组组织整合更好、胶原沉积更多；ALP、RUNX2、OCN、COL-1等成骨标志物染色更强，VEGF表达也显著上调，说明支架同时促进成骨与血管生成。
• 全身生物安全性：心、肝、脾、肺、肾主要脏器H&E染色未见炎性浸润与明显病理改变，证实支架植入后无明显全身毒性，生物安全性良好。

三、研究结论

四、论文基本信息