科学网—SMMF|湖南理工大学李升、蔡安辉团队：铁基骨植入物生物降解、细胞相容性与成骨性能的研究
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2026-7-20 14:02
| 系统分类: 科研笔记
可降解铁基合金及复合物作为骨植入物备受关注，兼具足够力学强度与逐步降解特性。该研究系统梳理了其降解性、力学性能与生物相容性，归纳了五种加速降解策略：合金化、陶瓷复合、表面改性、微纳结构构建及磁化。探讨了固溶强化、细晶强化及多孔结构降模量机制。评估了锰、铜及生物陶瓷等添加物的细胞相容性与成骨活性。动物实验通过组织学与血液生化分析验证了体内安全性，为下一代铁基植入物开发提供了理论与技术支撑。
01研究内容简介
近日，湖南理工大学李升、蔡安辉团队，在 Smart Materials in Manufacturing 期刊发表题为“Advances in Fe-based bone implants: Accelerated degradation, cytocompatibility and osteogenesis”的论文（Volume 4, 2026, 100139）。该研究深入探讨了可降解铁基骨植入物的降解性能、力学性能和生物相容性。针对纯铁降解过慢的瓶颈，该文章重点归纳了五种加速降解策略：（i）合金化，通过降低腐蚀电位并生成第二相以促进微电偶腐蚀；（ii）铁-陶瓷复合物，利用表面缺陷、酸性离子释放及气体膨胀效应破坏致密表层；（iii）表面改性；（iv）异质结构、纳米层状结构、核壳结构等构建；（v）磁化处理。在力学性能方面，研究固溶强化和晶粒细化等强化的机制，并通过引入多孔结构降低弹性模量以获得仿骨力学性能的途径。同时，系统评估了锰、铜、羟基磷灰石、磷酸三钙和双相磷酸钙对细胞相容性、成骨性能和体内生物安全性。为进一步推动临床转化，该研究通过动物实验，对植入后的主要器官组织学染色，并结合血液生化分析，系统评估了铁基骨植入物的体内安全性，以推动其骨科临床转化进程。在整合多种改性策略并严格评价其生物学效果的基础上，该研究系统梳理了铁基骨植入物当前面临的降解缓慢、弹性模量不匹配等核心问题，为下一代铁基骨植入物的设计与开发提供了坚实的技术支撑与理论依据。论文主要亮点：1. 铁基植入物兼具良好的生物相容性与力学强度，可在骨愈合期间提供可靠临时支撑。2. 降解速率缓慢及长期安全性问题，仍是制约其临床转化的主要瓶颈3. 合金化、生物陶瓷复合、表面改性及异质结构构建等策略，可有效加速其降解进程。4. 可降解性能、生物安全性及成骨活性，是评价铁基骨植入物的三大核心指标。5. 智能材料设计有望突破现有局限，为实现理想骨修复提供新路径。
图1. (a)铁作为人体必需微量元素，每日通过膳食摄入约12-18 mg，参与血红蛋白合成、肝内储存、骨修复促进等生理过程，并最终经代谢排出体外；(b) 目前已有多种可降解铁基合金被开发用于骨植入物，代表性体系包括Fe-Mn、Fe-Mg、Fe-Zn、Fe-Cu及Fe-Mn-Si等。 
图2.铁-生物陶瓷骨植入物的表面形貌与降解机制：(a–c) Fe–2Pd–2.5bredigite、Fe–2Pd–5bredigite 和 Fe–2Pd–10bredigite 在浸泡21天后的三维表面形貌（经Elsevier许可转载）；(d–e) Fe 和 Fe–20CaSO₄ 在电化学测试后的激光扫描共聚焦显微镜表面形貌；(f) 局部酸性环境加速铁基骨植入物降解的机理示意图。
图3. (a、b)单层和 (c、d) 多层Fe–Zn合金在浸泡早期和晚期阶段降解过程的示意图；(e) Fe、20Fe–40Zn和60Fe–40Zn的横截面形貌及相应的EDS元素分布图；(f)磁场驱动Fe–Ga合金降解的示意图（经Elsevier许可转载）
图4. (a) Zn²⁺离子促进细胞增殖的作用机制示意图；(b) Mg²⁺离子的主要生物学功能，涉及TRPM、VEGF（血管内皮生长因子）和eNOS（内皮型一氧化氮合酶）等关键信号分子（经Elsevier许可转载）
图5. 多孔铁促进细胞生长、血管生成和营养物质运输的示意图
图6.(a) 成骨过程示意图；(b) 铁基骨植入物降解行为示意图；(c) 血液生化分析指标示意，涵盖肝功能（ALT、AST、GGT、ALB、TBIL、DBIL、TBA）、肾功能（BUN、Cr、UA）、骨代谢（ALP）、心肌酶（LDH、LDH-1、CK）等相关标志物，用于系统评估植入物的体内安全性与代谢影响。
02论文第一/通讯作者简介
通讯作者：李升，工学博士，湖南理工大学硕士生导师，湖南理工大学电磁装备设计与制造湖南省重点实验室骨干，岳阳市高层次人才。长期从事生物医用可降解植入物设计与制造、生物3D打印及其装备研发，在Journal of Magnesium and Alloys、Corrosion Science、International Journal of Bioprinting等国内外权威期刊发表SCI论文多篇，涵盖中国科学院一区、Top期刊及高被引热点论文，获全国毕业设计佳作奖、自然科学优秀学术论文一等奖等奖项；申请及授权专利30余项，并进行市场转化；主持或参与国家级、省部级纵向课题近10项，横向课题若干。指导的研究生多次荣获国家奖学金、学业一等奖学金、优秀硕士学位论文及研究生创新项目资助，并获年度实践教学优秀个人等荣誉。第一指导教师在国家级数学建模、挑战杯等大赛中屡获佳绩，并获创新创业优秀团队及创新创业优秀导师荣誉称号。
03资助信息
The authors appreciate the financial supporte from the Scientific Research Project of Hunan Provincial Education Department (24A0474) and the Provincial Natural Science Foundation of Hunan (2023JJ30278) and the 2024 Annual Basic Research Plan of Yueyang (2024090800001).
04原文信息
Xin Zhou, Yulin Jiang, Jieyi Xie, Yihan Chen, Bin Li, Jiamei Long, Yulei Xie, Feng Peng, Anhui Cai, Xiangming Qu, Sheng Li, Advances in Fe-based bone implants: Accelerated degradation, cytocompatibility and osteogenesis, Smart Materials in Manufacturing, Volume 4, 2026, 100139.
05原文链接
https://doi.org/10.1016/j.smmf.2026.100139
06期刊简介
IF: 13.3
CiteScore: 15.5
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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