重庆大学l同济大学l北京大学l增材制造锌基生物材料的研究进展

3D科学谷洞察

锌基合金通过合金化和微观结构调控，可以实现优异的力学性能，如高强度、高韧性。这使得锌基生物材料能够承受较大的生理负荷，适用于骨科、心血管等领域的植入物。通过调整增材制造工艺参数和材料成分，可以精确调控锌基生物材料的力学性能。例如，通过控制激光功率和扫描速度，可以改变材料的微观结构，从而实现不同的力学性能要求。”

增材制造锌基生物材料的研究进展

袁坤山*，邓成宸，王湘秀 ，黎粤川，周超，赵川榕，戴小珍，Ahsan-Riaz Khan，张泽 ，Robert Guidoin，张海军*，郑玉峰*，王贵学*

重庆大学生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室，血管植入物国家与地方联合工程实验室

生物医用材料改性国家地方联合工程实验室

金凤实验室

成都医学院生物科学与技术学院

同济大学医学院上海市第十人民医院

北京大学工学院材料科学与工程系

加拿大拉瓦尔大学外科学系，魁北克生物材料研究所

【文献链接】

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

【背景介绍】

锌基生物可降解材料具有降解速度适中、生物相容性良好、机械性能优异、易于加工等特点，而增材制造技术能够制备具有复杂内部结构的植入物，增材制造锌基生物可降解材料能够发挥两者的优势，已成为当前研究热点，尤其是在骨支架应用中。本文对增材制造可降解锌基生物材料相关文献进行文献计量分析，总结了该领域的历史特征、正在发展的研究主题和新兴趋势。分析结果表明，增材制造生物可降解锌基材料的成分组成、加工工艺、体外生物相容性以及材料的成型质量还将持续被研究。此外，为满足医疗植入物的要求，尤其是骨植入物，材料的力学性能（包括抗降解疲劳性、抗蠕变性和抗时效性等）、降解速率、体内生物相容性、以及影响到以上性能的特殊处理工艺（如涂层工艺、热处理工艺、材料表面结构、微观结构组成等）将成为未来研究的热点。本文从成型质量、材料组成、单元构型、生物相容性这四个方面综述了增材制造可降解锌基生物材料的研究进展，并在此基础上提出了未来的研究方向。

【文章亮点】

1. 增材制造可降解锌基生物材料领域正在快速发展，领域内的研究合作广泛、科学影响力较高。

2.增材制造生物可降解锌基材料的组成、加工和体外相容性是此研究领域的核心研究议题。体内性能、降解速率、以及影响到以上性能的特殊处理工艺等将成为未来研究的热点。

3.通过材料和工艺创新，结合动物实验，增材制造锌基生物材料在骨缺损治疗方面展现出巨大的潜力，有望在临床应用中实现有效修复。

【内容简介】

日前，重庆大学王贵学教授、同济大学张海军教授和北京大学郑玉峰教授联合团队在Rare Metals上发表了题为“Research Advances and Future Perspectives of Zinc-Based Biomaterials for Additive Manufacturing”的文献计量学研究文章， 对可降解锌基生物材料增材制造领域的历史概况、研究热点和发展趋势进行了客观的分析和描述 。

增材制造生物可降解锌基材料的成分组成、加工工艺、体外生物相容性以及材料的成型质量的深入研究将继续进行；为满足植入物，尤其是骨修复材料的特定要求，未来的研究将聚焦于材料的力学性能、降解速率、体内生物相容性、以及影响到以上性能的特殊处理工艺。

【图文解析】

图1（a）出版物的年度分析；（b）出版数量前15位的期刊；Y轴：发表论文数量

2017年到2023年，增材制造可生物降解锌基材料的发表论文数量呈现稳步增长的趋势。其中Acta biomateralia发表的相关论文数量最多，共计9篇，这反映了该期刊此领域的关注度，其次的高发文量杂志是Journal of Materials Research and Technology JMRT（5篇）和Additive Manufacturing（4篇）。

图2 科学合作网络。（a）国家合作；（b）机构合作；（c）作者合作

丰富的节点和相互关联的链接揭示了国家、机构和作者之间紧密的科学合作关系。国家协作网络有17个节点和28个链接，其中中国、德国、意大利、荷兰和印度作为大节点，在增材制造可生物降解锌基材料的全球合作研究中具有重要地位。机构协作网络涉及93个节点，209个连接，清华大学、江西理工大学、德国亚琛工业大学、北京大学和中南大学因其广泛的合作关系成为突出的节点。作者协作网络共有173个节点和546个连接，其中Wen Peng, Shuai Cijun, Peng Shuping, Voshage Maximilian和Qin Yu在论文发表数量方面成为主要贡献者，体现了他们在科学合作中的活跃程度。值得注意的是，在作者的节点中观察到聚类效应，Wen Peng，Voshage Maximilian，Qin Yu，Schleifenbaum Johannes Henrich，Zheng Yufeng等部分节点聚类为I簇；Shuai Cijun，Peng Shuping，Yang Youwen等部分节点聚类为II簇；Li Y部分节点聚类为III簇。其中，I和II通过中心性最高的Li Yageng相互连接。合作网络的结构特征和聚集现象，不仅反映了科学合作的广泛性和深度，也揭示了不同科研实体间合作的模式和趋势。

图3 关键词聚类分析

关键词之间存在或高或低的内在关联，因而形成不同的聚类，从而清晰地展现出增材制造生物可降解锌基材料研究的各个热点子领域。通过对关键词进行聚类分析可分为4大类，涵盖了9个小类，包括增材制造成分（0# biodegradable metals，#1 pure zn），加工工艺（#2 process plume，#4 laser powder bed fusion，#6 continuous wave emission，#7 advanced manufacturing），降解与力学性能（#5 corrosion fatigue）和产品应用（#3 biomedical implants）。其中，0# biodegradable metals、#4 laser powder bed fusion被研究的持续时间最长，#6 continuous wave emission，#7 advanced manufacturing和#8 mechanical performance则已经过了研究高峰期，#1 pure zn、#3 biomedical implants和#5 corrosion fatigue正在处于研究的活跃阶段，成为当前的研究热点。这一现象表明，基础的增材制造的成分和加工工艺将持续被研究，而增材制造生物可降解锌基材料的体内植入应用和降解疲劳特性研究已经逐渐成为研究的热点。

图4 2017-2023年关键词冲积图；X轴：时间片，Y轴：模块计数，编号：每个时间片上模块按节点数量排序的顺序。

链接的关键词可以组合成特定的研究模块，这些模块随着关键词的重新组合，在不同时间段内可能会发生演变，分化或整合形成新的研究模块。。在7年的时间里，有些关键词展现出持久的影响力，有些成为了新的研究趋势，有些则淡出了研究领域。例如，2023年模块1中包含的关键词在本研究流域发散或汇聚，形成了最大的研究支流（红色标记部分）。这一现象表明模块1是一个持续存在且具有稳定性的研究模块。

图5 2023年关键词六大模块 （a）模块1；（b）模块2 ；（c）模块3；（d）模块4；（e）模块5；（f）模块6

模块1被命名为“3D printing”，涵盖了3D printing、laser、3D printing technology在内的10个关键词。模块2命名为“biodegradable metallic implants”，包含了biodegradable metallic implants、biomedical implants、biocorrosion behavior等6个关键词。模块3命名为“bone repair”，汇集了bone repair、biomaterial、porous scaffold等6个关键词。模块4命名为“titanium”，包括了titanium、vivo、implant等6个关键词。模块5命名为“selective laser melting”，包含了selective laser melting、heat treatment、microstructure等6个关键词。模块6命名为“Zn-Cu alloy”，汇集了Zn-Cu alloy、biodegradable zinc、angiogenesis等7个关键词。这些模块很可能是未来5年甚至更长时间内增材制造可降解锌基材料领域的新兴趋势。在这些模块中，我们观察到除了3D printing、selective laser melting、titanium、Zn-Cu alloy、biodegradable zinc等涉及增材制造的常规加工工艺和组成成分的关键词外，更多的是类似于biodegradable metallic implants、bone repair、vivo、angiogenesis、heat treatment、microstructure等涉及到体内植入应用、后处理工艺及微观结构变化等方向的关键词。这表明，特殊处理工艺以及对微观结构的影响，体内植入应用及研究可能是增材制造可降解锌基材料的新兴趋势。

图6 引文聚类图

基于引文聚类可视化，本文对增材制造生物可降解锌基材料研究中的新兴、经典和相对过时的主题进行了预测。时间轴图展示了在指定时间范围内的11个簇群，按集群大小自上而下排列。簇群#0、#1、#3和#4代表经典主题。尽管这些簇并非最新出现，但它们与其它簇之间存在着复杂的相互联系。第6簇 Zn-Zr alloys、第8簇in situ monitoring和第9簇implants相对过时，它们与其他簇的联系较少，并且在时间轴上显示出缺乏后续发展的态势。#2 in situ reaction 、#5 selective laser melting、 #7 bone repair、#10 sustainability是新兴的主题，自形成以来一直保持活跃，有潜力成为未来的研究热点。根据对新出现的簇的分析，可预见增材制造锌基材料的表面结构，功能活性，体内骨修复应用以及经济和环境可持续性可能会成为未来研究的主导方向。

【全文小结】

1.根据文献计量学分析，增材制造可生物降解锌基材料的组成、加工工艺、体外生物相容性和成型质量将继续作为研究的核心议题。为了满足植入物的需求，材料的力学性能、降解速率、体内生物相容性以及影响这些性能的独特处理工艺将成为未来的热门研究课题。

2.通过工艺优化，目前已能够制备出高成型质量的增材制造可生物降解的锌基材料。材料的组成是影响其力学性能、腐蚀速度和生物相容性的关键因素；多孔锌支架的孔隙率和单胞结构与其力学性能、生物功能和降解行为密切相关；增材制造生物可降解锌基材料的生物相容性直接影响其临床使用的安全性。

3.经过验证、标准化和商业化的增材制造锌粉尚未被开发；增材制造涉复杂的物理过程，这导致材料成分、微观结构和性能在加工过程中发生实质性变化；需要利用现场监测和计算机模拟来进一步优化工艺；因此，增材制造生物可降解锌基材料的临床应用尚未实现。

4.最有希望取得临床突破的研究方向是使用具有特定多孔拓扑结构的增材制造可生物降解锌基材料治疗骨缺损。在临床转化之前，需要通过材料组成、单元设计、制造工艺改进、涂层设计、后处理技术、广泛和长期的大动物研究以及系统的临床研究来优化种植体的性能。需要材料科学、生物学、信息学、机械工程和医学等的跨学科合作，以全面评估产品的临床适用性。

【作者简介】

王贵学，博士，重庆大学二级教授、博导，金凤实验室脑血管研究团队负责人，国务院政府特殊津贴专家，国家重点研发计划项目首席科学家。长期从事动脉粥样硬化性心脑血管生物力学与生物材料、纳米药物递送等基础研究和应用转化，先后主持科技部国际科技合作重点项目/国家科技支撑计划重点项目/国家重点研发计划项目/国自然重点基金/ /国家转基因重大专项课题/国家发改委平台建设重大项目等20余项国家级项目。联合发表中英文学术论文450余篇，授权中国和美国专利60余件，获国家级行业协会和省部级科技成果奖8项；担任教育部生物流变科学与技术重点实验室主任、国家发改委血管植入物工程实验室主任、教育部生物医学工程类专业教指委委员、中国病理生理学会动脉粥样硬化专委会主委、中国生物材料学会材料生物力学分会主委、中国解剖学会血管分会名誉主委。2019年以来连续5次入选生物医学工程领域爱思唯尔中国高被引学者（软科国际知名学者），近年入选世界前 2%顶尖科学家、国际生物材料科学与工程院Fellow(FBSE)、《RESEARCH》期刊(IF:11) 副主编。曾任重庆大学生物工程学院院长/书记/院学术委员会主任、医学部学术委员会副主任。

郑玉峰，北京大学教授、博士生导师、材料科学与工程学院生命健康材料研究所所长，国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者特聘教授、科技部中青年科技创新领军人才、中组部万人计划入选者、国际生物材料科学与工程学会联合会“生物材料科学与工程”会士、美国医学与生物工程研究院会士、中国生物材料学会会士。学术研究方向为新型生物医用金属材料与器械。作为项目负责人，先后承担十四五、十三五国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等纵向课题与横向课题 50 余项，出版英文专著2本，中文专著6本，发表英文SCI论文600余篇，被引用47000余次，H-index为104，科睿唯安2022/2023年全球高被引学者，获授权发明专利50余项。社会兼职包括Bioactive Materials创刊主编、Materials Letters编辑、Journal of Materials Science& Technology副主编等、中国生物材料学会副理事长、中国生物医学工程学会生物材料分会候任主任委员等。

张海军，同济大学医学院PI、同济大学附属第十人民医院介入血管研究所副所长、生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室主任。第十三、十四届全国人大代表，国务院政府特殊津贴专家、全国五一劳动奖章获得者、泰山学者海外特聘专家、省级有突出贡献中青年专家。国家放射与治疗临床医学研究中心学术委员会委员、科技部生物医用材料评审专家。长期从事心血管、介入医学、医用材料、极弱磁细胞生物医学的基础与临床转化研究。作为首席专家及主要完成人承担十三五、十四五国家重点研发计划、十二五国家科技支撑计划、国家工业强基工程、国家自然科学基金面上项目、国家科技重大专项、十一五国家高技术产业化、国家创新基金项目等国家级项目10项。以第一完成人获国家科技进步二等奖1项；何梁何利科学与技术创新奖、教育部技术发明一等奖1项、省技术发明一等奖1项、省科技进步奖2项、国家专利优秀奖1项、省专利奖2项等省部级奖励14项；以第二完成人获省级科技进步一等奖1项。发表论文140余篇，申报专利340余项。主编参编学术专著6部，起草行业标准7项。

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