重慶大學-同濟大學-北京大學 l 增材制造鋅基生物材料的研究進展

來源：稀有金屬

作者：袁坤山*，鄧成宸，王湘秀 ，黎粵川，周超，趙川榕，戴小珍，Ahsan-Riaz Khan，張澤 ，Robert Guidoin，張海軍*，鄭玉峰*，王貴學*
重慶大學生物工程學院生物流變科學與技術教育部重點實驗室，血管植入物國家與地方聯(lián)合工程實驗室
生物醫(yī)用材料改性國家地方聯(lián)合工程實驗室
金鳳實驗室
成都醫(yī)學院生物科學與技術學院
同濟大學醫(yī)學院上海市第十人民醫(yī)院
北京大學工學院材料科學與工程系
加拿大拉瓦爾大學外科學系，魁北克生物材料研究所

鋅基生物可降解材料具有降解速度適中、生物相容性良好、機械性能優(yōu)異、易于加工等特點，而增材制造技術能夠制備具有復雜內(nèi)部結構的植入物，增材制造鋅基生物可降解材料能夠發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，已成為當前研究熱點，尤其是在骨支架應用中。

本文對增材制造可降解鋅基生物材料相關文獻進行文獻計量分析，總結了該領域的歷史特征、正在發(fā)展的研究主題和新興趨勢。分析結果表明，增材制造生物可降解鋅基材料的成分組成、加工工藝、體外生物相容性以及材料的成型質量還將持續(xù)被研究。此外，為滿足醫(yī)療植入物的要求，尤其是骨植入物，材料的力學性能（包括抗降解疲勞性、抗蠕變性和抗時效性等）、降解速率、體內(nèi)生物相容性、以及影響到以上性能的特殊處理工藝（如涂層工藝、熱處理工藝、材料表面結構、微觀結構組成等）將成為未來研究的熱點。本文從成型質量、材料組成、單元構型、生物相容性這四個方面綜述了增材制造可降解鋅基生物材料的研究進展，并在此基礎上提出了未來的研究方向。

【文章亮點】

1. 增材制造可降解鋅基生物材料領域正在快速發(fā)展，領域內(nèi)的研究合作廣泛、科學影響力較高。

2.增材制造生物可降解鋅基材料的組成、加工和體外相容性是此研究領域的核心研究議題。體內(nèi)性能、降解速率、以及影響到以上性能的特殊處理工藝等將成為未來研究的熱點。

3.通過材料和工藝創(chuàng)新，結合動物實驗，增材制造鋅基生物材料在骨缺損治療方面展現(xiàn)出巨大的潛力，有望在臨床應用中實現(xiàn)有效修復。

【內(nèi)容簡介】

日前，重慶大學王貴學教授、同濟大學張海軍教授和北京大學鄭玉峰教授聯(lián)合團隊在Rare Metals上發(fā)表了題為“Research Advances and Future Perspectives of Zinc-Based Biomaterials for Additive Manufacturing”的文獻計量學研究文章，對可降解鋅基生物材料增材制造領域的歷史概況、研究熱點和發(fā)展趨勢進行了客觀的分析和描述。

增材制造生物可降解鋅基材料的成分組成、加工工藝、體外生物相容性以及材料的成型質量的深入研究將繼續(xù)進行；為滿足植入物，尤其是骨修復材料的特定要求，未來的研究將聚焦于材料的力學性能、降解速率、體內(nèi)生物相容性、以及影響到以上性能的特殊處理工藝。

【圖文解析】

圖1（a）出版物的年度分析；（b）出版數(shù)量前15位的期刊；Y軸：發(fā)表論文數(shù)量

2017年到2023年，增材制造可生物降解鋅基材料的發(fā)表論文數(shù)量呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢。其中Acta biomateralia發(fā)表的相關論文數(shù)量最多，共計9篇，這反映了該期刊此領域的關注度，其次的高發(fā)文量雜志是Journal of Materials Research and Technology JMRT（5篇）和Additive Manufacturing（4篇）。

圖2 科學合作網(wǎng)絡。（a）國家合作；（b）機構合作；（c）作者合作

豐富的節(jié)點和相互關聯(lián)的鏈接揭示了國家、機構和作者之間緊密的科學合作關系。國家協(xié)作網(wǎng)絡有17個節(jié)點和28個鏈接，其中中國、德國、意大利、荷蘭和印度作為大節(jié)點，在增材制造可生物降解鋅基材料的全球合作研究中具有重要地位。機構協(xié)作網(wǎng)絡涉及93個節(jié)點，209個連接，清華大學、江西理工大學、德國亞琛工業(yè)大學、北京大學和中南大學因其廣泛的合作關系成為突出的節(jié)點。作者協(xié)作網(wǎng)絡共有173個節(jié)點和546個連接，其中Wen Peng, Shuai Cijun, Peng Shuping, Voshage Maximilian和Qin Yu在論文發(fā)表數(shù)量方面成為主要貢獻者，體現(xiàn)了他們在科學合作中的活躍程度。值得注意的是，在作者的節(jié)點中觀察到聚類效應，Wen Peng，Voshage Maximilian，Qin Yu，Schleifenbaum Johannes Henrich，Zheng Yufeng等部分節(jié)點聚類為I簇；Shuai Cijun，Peng Shuping，Yang Youwen等部分節(jié)點聚類為II簇；Li Y部分節(jié)點聚類為III簇。其中，I和II通過中心性最高的Li Yageng相互連接。合作網(wǎng)絡的結構特征和聚集現(xiàn)象，不僅反映了科學合作的廣泛性和深度，也揭示了不同科研實體間合作的模式和趨勢。

圖3 關鍵詞聚類分析

關鍵詞之間存在或高或低的內(nèi)在關聯(lián)，因而形成不同的聚類，從而清晰地展現(xiàn)出增材制造生物可降解鋅基材料研究的各個熱點子領域。通過對關鍵詞進行聚類分析可分為4大類，涵蓋了9個小類，包括增材制造成分（0# biodegradable metals，#1 pure zn），加工工藝（#2 process plume，#4 laser powder bed fusion，#6 continuous wave emission，#7 advanced manufacturing），降解與力學性能（#5 corrosion fatigue）和產(chǎn)品應用（#3 biomedical implants）。其中，0# biodegradable metals、#4 laser powder bed fusion被研究的持續(xù)時間最長，#6 continuous wave emission，#7 advanced manufacturing和#8 mechanical performance則已經(jīng)過了研究高峰期，#1 pure zn、#3 biomedical implants和#5 corrosion fatigue正在處于研究的活躍階段，成為當前的研究熱點。這一現(xiàn)象表明，基礎的增材制造的成分和加工工藝將持續(xù)被研究，而增材制造生物可降解鋅基材料的體內(nèi)植入應用和降解疲勞特性研究已經(jīng)逐漸成為研究的熱點。

圖4 2017-2023年關鍵詞沖積圖；X軸：時間片，Y軸：模塊計數(shù)，編號：每個時間片上模塊按節(jié)點數(shù)量排序的順序。

鏈接的關鍵詞可以組合成特定的研究模塊，這些模塊隨著關鍵詞的重新組合，在不同時間段內(nèi)可能會發(fā)生演變，分化或整合形成新的研究模塊。。在7年的時間里，有些關鍵詞展現(xiàn)出持久的影響力，有些成為了新的研究趨勢，有些則淡出了研究領域。例如，2023年模塊1中包含的關鍵詞在本研究流域發(fā)散或匯聚，形成了最大的研究支流（紅色標記部分）。這一現(xiàn)象表明模塊1是一個持續(xù)存在且具有穩(wěn)定性的研究模塊。

圖5 2023年關鍵詞六大模塊 （a）模塊1；（b）模塊2 ；（c）模塊3；（d）模塊4；（e）模塊5；（f）模塊6

模塊1被命名為“3D printing”，涵蓋了3D printing、laser、3D printing technology在內(nèi)的10個關鍵詞。模塊2命名為“biodegradable metallic implants”，包含了biodegradable metallic implants、biomedical implants、biocorrosion behavior等6個關鍵詞。模塊3命名為“bone repair”，匯集了bone repair、biomaterial、porous scaffold等6個關鍵詞。模塊4命名為“titanium”，包括了titanium、vivo、implant等6個關鍵詞。模塊5命名為“selective laser melting”，包含了selective laser melting、heat treatment、microstructure等6個關鍵詞。模塊6命名為“Zn-Cu alloy”，匯集了Zn-Cu alloy、biodegradable zinc、angiogenesis等7個關鍵詞。這些模塊很可能是未來5年甚至更長時間內(nèi)增材制造可降解鋅基材料領域的新興趨勢。在這些模塊中，我們觀察到除了3D printing、selective laser melting、titanium、Zn-Cu alloy、biodegradable zinc等涉及增材制造的常規(guī)加工工藝和組成成分的關鍵詞外，更多的是類似于biodegradable metallic implants、bone repair、vivo、angiogenesis、heat treatment、microstructure等涉及到體內(nèi)植入應用、后處理工藝及微觀結構變化等方向的關鍵詞。這表明，特殊處理工藝以及對微觀結構的影響，體內(nèi)植入應用及研究可能是增材制造可降解鋅基材料的新興趨勢。

圖6 引文聚類圖

基于引文聚類可視化，本文對增材制造生物可降解鋅基材料研究中的新興、經(jīng)典和相對過時的主題進行了預測。時間軸圖展示了在指定時間范圍內(nèi)的11個簇群，按集群大小自上而下排列。簇群#0、#1、#3和#4代表經(jīng)典主題。盡管這些簇并非最新出現(xiàn)，但它們與其它簇之間存在著復雜的相互聯(lián)系。第6簇 Zn-Zr alloys、第8簇in situ monitoring和第9簇implants相對過時，它們與其他簇的聯(lián)系較少，并且在時間軸上顯示出缺乏后續(xù)發(fā)展的態(tài)勢。#2 in situ reaction 、#5 selective laser melting、 #7 bone repair、#10 sustainability是新興的主題，自形成以來一直保持活躍，有潛力成為未來的研究熱點。根據(jù)對新出現(xiàn)的簇的分析，可預見增材制造鋅基材料的表面結構，功能活性，體內(nèi)骨修復應用以及經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)性可能會成為未來研究的主導方向。

【全文小結】
1.根據(jù)文獻計量學分析，增材制造可生物降解鋅基材料的組成、加工工藝、體外生物相容性和成型質量將繼續(xù)作為研究的核心議題。為了滿足植入物的需求，材料的力學性能、降解速率、體內(nèi)生物相容性以及影響這些性能的獨特處理工藝將成為未來的熱門研究課題。
2.通過工藝優(yōu)化，目前已能夠制備出高成型質量的增材制造可生物降解的鋅基材料。材料的組成是影響其力學性能、腐蝕速度和生物相容性的關鍵因素；多孔鋅支架的孔隙率和單胞結構與其力學性能、生物功能和降解行為密切相關；增材制造生物可降解鋅基材料的生物相容性直接影響其臨床使用的安全性。

3.經(jīng)過驗證、標準化和商業(yè)化的增材制造鋅粉尚未被開發(fā)；增材制造涉復雜的物理過程，這導致材料成分、微觀結構和性能在加工過程中發(fā)生實質性變化；需要利用現(xiàn)場監(jiān)測和計算機模擬來進一步優(yōu)化工藝；因此，增材制造生物可降解鋅基材料的臨床應用尚未實現(xiàn)。
4.最有希望取得臨床突破的研究方向是使用具有特定多孔拓撲結構的增材制造可生物降解鋅基材料治療骨缺損。在臨床轉化之前，需要通過材料組成、單元設計、制造工藝改進、涂層設計、后處理技術、廣泛和長期的大動物研究以及系統(tǒng)的臨床研究來優(yōu)化種植體的性能。需要材料科學、生物學、信息學、機械工程和醫(yī)學等的跨學科合作，以全面評估產(chǎn)品的臨床適用性。

【作者簡介】

王貴學，博士，重慶大學二級教授、博導，金鳳實驗室腦血管研究團隊負責人，國務院政府特殊津貼專家，國家重點研發(fā)計劃項目首席科學家。長期從事動脈粥樣硬化性心腦血管生物力學與生物材料、納米藥物遞送等基礎研究和應用轉化，先后主持科技部國際科技合作重點項目/國家科技支撐計劃重點項目/國家重點研發(fā)計劃項目/國自然重點基金/ /國家轉基因重大專項課題/國家發(fā)改委平臺建設重大項目等20余項國家級項目。聯(lián)合發(fā)表中英文學術論文450余篇，授權中國和美國專利60余件，獲國家級行業(yè)協(xié)會和省部級科技成果獎8項；擔任教育部生物流變科學與技術重點實驗室主任、國家發(fā)改委血管植入物工程實驗室主任、教育部生物醫(yī)學工程類專業(yè)教指委委員、中國病理生理學會動脈粥樣硬化專委會主委、中國生物材料學會材料生物力學分會主委、中國解剖學會血管分會名譽主委。2019年以來連續(xù)5次入選生物醫(yī)學工程領域愛思唯爾中國高被引學者（軟科國際知名學者），近年入選世界前 2%頂尖科學家、國際生物材料科學與工程院Fellow(FBSE)、《RESEARCH》期刊(IF:11) 副主編。曾任重慶大學生物工程學院院長/書記/院學術委員會主任、醫(yī)學部學術委員會副主任。

鄭玉峰，北京大學教授、博士生導師、材料科學與工程學院生命健康材料研究所所長，國家杰出青年科學基金獲得者、教育部長江學者特聘教授、科技部中青年科技創(chuàng)新領軍人才、中組部萬人計劃入選者、國際生物材料科學與工程學會聯(lián)合會“生物材料科學與工程”會士、美國醫(yī)學與生物工程研究院會士、中國生物材料學會會士。學術研究方向為新型生物醫(yī)用金屬材料與器械。作為項目負責人，先后承擔十四五、十三五國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金重點項目等縱向課題與橫向課題 50 余項，出版英文專著2本，中文專著6本，發(fā)表英文SCI論文600余篇，被引用47000余次，H-index為104，科睿唯安2022/2023年全球高被引學者，獲授權發(fā)明專利50余項。社會兼職包括Bioactive Materials創(chuàng)刊主編、Materials Letters編輯、Journal of Materials Science& Technology副主編等、中國生物材料學會副理事長、中國生物醫(yī)學工程學會生物材料分會候任主任委員等。

張海軍，同濟大學醫(yī)學院PI、同濟大學附屬第十人民醫(yī)院介入血管研究所副所長、生物醫(yī)用材料改性技術國家地方聯(lián)合工程實驗室主任。第十三、十四屆全國人大代表，國務院政府特殊津貼專家、全國五一勞動獎章獲得者、泰山學者海外特聘專家、省級有突出貢獻中青年專家。國家放射與治療臨床醫(yī)學研究中心學術委員會委員、科技部生物醫(yī)用材料評審專家。長期從事心血管、介入醫(yī)學、醫(yī)用材料、極弱磁細胞生物醫(yī)學的基礎與臨床轉化研究。作為首席專家及主要完成人承擔十三五、十四五國家重點研發(fā)計劃、十二五國家科技支撐計劃、國家工業(yè)強基工程、國家自然科學基金面上項目、國家科技重大專項、十一五國家高技術產(chǎn)業(yè)化、國家創(chuàng)新基金項目等國家級項目10項。以第一完成人獲國家科技進步二等獎1項；何梁何利科學與技術創(chuàng)新獎、教育部技術發(fā)明一等獎1項、省技術發(fā)明一等獎1項、省科技進步獎2項、國家專利優(yōu)秀獎1項、省專利獎2項等省部級獎勵14項；以第二完成人獲省級科技進步一等獎1項。發(fā)表論文140余篇，申報專利340余項。主編參編學術專著6部，起草行業(yè)標準7項。




【文獻鏈接】
Yuan, KS., Deng, CC., Wang, XX. et al. Research advances and future perspectives of zinc-based biomaterials for additive manufacturing. Rare Met. (2025).
https://doi.org/10.1007/s12598-024-03205-7