本研究针对生物降解锌（Zn）基复合材料中增强相分散不均和界面结合弱的瓶颈问题，开发了一种异质凝聚与原位生长相结合（CHMGS）的新型制造工艺 。通过利用氧化石墨烯（GO）作为“纳米桥梁”，实现了羟基磷灰石（HA）在锌基体中的均匀分散，并构建了强化学键合界面 。实验结果表明，HA@0.2GO/Zn复合材料的屈服强度和抗压强度分别提升了16.1%和22.1% 。此外，HA与基体间的电位差显著提高了降解速率（0.221 mm/y），有效匹配骨修复周期 。生物学评价证实材料具有优异的细胞相容性 。转录组学分析进一步揭示，该复合材料通过上调Mt、Prkcg、Lox等关键基因，显著促进了矿物质吸收与成骨分化，并展现出卓越的抗菌活性。该研究为开发高性能、多功能骨科植入物提供了全新的技术路径。
01 研究内容简介
1. 制备工艺：异质凝聚与原位生长相结合策略（CHMGS）本研究开发了一种集成异质凝聚法（Hetero-agglomeration method）与原位生长策略（In situ growth strategy）的创新工艺（简称 CHMGS），用于解决锌基生物复合材料中增强相分散不均和界面强度低的核心难题。如图 1 所示，该流程首先通过溶剂热法在氧化石墨烯（GO）片层表面诱导羟基磷灰石（HA）晶核的初步成核 。随后，将锌粉悬浮液滴入，利用静电中和原理使修饰有 HA 晶核的 GO 片层均匀包裹在球形锌粉表面，形成稳定的异质凝聚体系 。最后通过原位生长过程使 HA 晶核发育为纳米粒子，并利用放电等离子体烧结（SPS）实现复合材料的致密化 。该工艺的新颖性在于利用 GO 作为“桥梁”连接生物活性增强相与金属基体，通过化学键合强化界面，避免了高能球磨对粉末的损伤及表面活性剂带来的污染 。
图 12 和图 13 揭示了 HA@GO 引入后对材料腐蚀行为的显著影响。SKPFM 测试显示，由于 HA 与 Zn 基体之间存在巨大的表面电位差（最高达 251.5 mV），在晶界处形成了强烈的微电偶电池 。在短期浸泡实验中，腐蚀优先发生在 HA 纳米粒子聚集的区域，导致局部腐蚀速率加快 。然而，这种加速降解产生了协同效应：局部释放的高浓度离子驱动了生理环境中的沉积反应，使得材料表面的 Ca-P 沉积率较纯锌提升了 3.3 至 3.5 倍 。这种“加速降解-诱导沉积”机制能够快速形成生物活性层，有助于缩短骨愈合周期 。
结合图 14 和图 15，研究评估了材料对 MC3T3-E1 前成骨细胞的生物学效应。细胞实验显示，稀释后的复合材料浸提液具有良好的细胞相容性，且显著上调了 ALP 和 COL I 等成骨相关基因的表达 。转录组学分析进一步揭示了其深层机理：复合材料诱导了 261 个基因的显著上调，特别是在矿物质吸收和成骨分化通路上 。通过上调 Mt1/2（金属硫蛋白）、Prkcg、Lox（赖氨酰氧化酶）及Npnt 等关键基因，材料有效地促进了细胞对矿物质离子的吸收，从而加速了骨组织修复过程。
图 13. 原位短期浸泡测试结果：(a1-a4) 纯 Zn 和 (b1-b4) HA@GO/Zn 生物复合材料在不同浸泡周期后的腐蚀形貌；(a5, b5) 测试区域在浸泡 24 小时后的元素组成演变；(a6) 纯 Zn 和 (b6) HA@GO/Zn 部件在浸泡 24 小时后去除降解产物的腐蚀基体 SEM-BSE 图像（橙色虚线箭头表示沉积的腐蚀产物；黄色虚线箭头表示腐蚀坑；橙色虚线框表示 (b6) 的测试区域）。4. 生物功能：成骨特性及其分子机理结合图 14 和图 15，研究评估了材料对 MC3T3-E1 前成骨细胞的生物学效应。细胞实验显示，稀释后的复合材料浸提液具有良好的细胞相容性，且显著上调了 ALP 和 COL I 等成骨相关基因的表达 。转录组学分析进一步揭示了其深层机理：复合材料诱导了 261 个基因的显著上调，特别是在矿物质吸收和成骨分化通路上 。通过上调 Mt1/2（金属硫蛋白）、Prkcg、Lox（赖氨酰氧化酶）及Npnt 等关键基因，材料有效地促进了细胞对矿物质离子的吸收，从而加速了骨组织修复过程。
图 14. 在试样浸提液中培养的 MC3T3-E1 前成骨细胞的细胞毒性评估：(a-d) 分别为 1、2、3 和 7 天的时间依赖性细胞活力曲线；(e, f) 在含有 50% 和 25% 试样浸提液的成骨培养基中培养 10 天后，MC3T3-E1 细胞中 (a) ALP 和 (b) COL I 的相对表达量；(g) 使用 50% 稀释浸提液进行的成骨分化分析，显示 7 天时的 ALP 活性和 14 天时通过 ARS 染色显示的钙矿化模式 。
图 15. 转录组分析：(a) 展示 HA@0.2GO/Zn 组与对照组之间差异表达基因的火山图；(b) 展示 20 个受调控基因的热图；(c) 差异表达基因的基因本体（GO）功能注释（每组 n=3 个试样）；(d) 使用 Genomes 数据库进行的矿物质吸收和成骨分化的基因集富集分析（GSEA）。
5. 抗菌特性：多组分协同杀菌机制
如图 16 和图 18 所示，HA@GO/Zn 复合材料展现出卓越的广谱抗菌能力。针对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的测试均显示出显著的抑菌圈，且0.2HA@GO/Zn组对金黄色葡萄球菌的抗菌率超过99% 。其机理在于降解过程中释放的Zn2+、ZnO纳米颗粒、活性氧（ROS）以及GO片层的协同作用 。其中，Gram阳性细菌（如金黄色葡萄球菌）由于缺乏外膜屏障，比Gram 阴性细菌更容易受到这些抗菌因子的物理破坏和化学损伤，表现为细胞膜皱缩、变形及内含物泄漏 。这种多模式杀菌方式显著降低了植入后的感染风险。
03 资助信息
研究得到了国家自然科学基金（No. 52371253）、天津市企业科技特派员项目（25YDTPJC00560）以及嘉斯特（天津）医疗器械有限公司天津市骨植入物界面功能化与个性化研究重点实验室开放基金（SY-04-202502-004）的资助。04 原文信息
Zixuan Li, Yingjian Lin, Xiao Wang, Wei Li, Hao Han, Wei Gao, Chunyong Liang,Xiaohao Sun, Debao Liu. Achieving excellent dispersion properties, interfacial strengthening and substantial biofunctionality in biodegradable HA@GO/Zn matrix composites via the combination of hetero-agglomeration method and in situ growth strategy. Smart Materials in Manufacturing 4 (2026) 100119.05 原文链接
https://doi.org/10.1016/j.smmf.2025.100119
06 期刊简介
Smart Materials in Manufacturing (SMMF) 是一本跨学科的开放获取型国际期刊。期刊主要关注最新型嵌入式功能材料的制造、加工及创新，聚焦现有及最前沿的处理新型材料及系统的制造技术。期刊主编由RMIT University的Cuie Wen教授担任。
SMMF主要刊发原创研究论文、权威评论和最前沿的研究理论及观点。涉及研究领域包括但不限于结构层次、仿生学、受控相位形成、结构适应性、形状记忆和变形能力、刺激响应、针对目标应用、传感和驱动的改进和定制特性。
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