北京大学北京大学第三医院张辛团队在运动创伤修复材料领域获新进展

2025年12月16日，北京大学第三医院运动医学科张辛主任医师团队联合北京科技大学王鲁宁教授/石章智教授团队，在《先进材料》（ Advanced Materials  IF：28.9）上发表题为《代谢性骨免疫生物可降解锌锰合金：高强度-延展性和原位血管-成骨耦合》（“Metabolic Osteoimmune Biodegradable Zn–Mn Alloys: High Strength-Ductility and In Situ Vascular-Osteogenic Coupling”）的研究成果。该成果聚焦骨软骨缺损修复的生物学过程，成功研发新型可降解锌合金，实现力学性能与生物功能的协同突破，取得兼顾免疫调控与运动创伤修复的材料新进展。

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运动创伤所致的软骨与软骨下骨全层巨大骨软骨损伤的修复，既要求材料具备与损伤部位匹配的力学性能，又需要其能重塑局部免疫与代谢微环境。传统金属修复材料无法同时满足力学支撑与生物学功能需求：镁基合金降解产氢易引发局部气腔，术后并发症发生率达13%；纯锌的屈服强度仅为69MPa，远低于临床230MPa的力学要求，并且其离子释放浓度难以在抗菌效果与细胞相容性之间达成平衡；钛合金等非降解材料需要进行二次手术取出，且生物学活性较低，增加患者痛苦与医疗成本。

针对上述临床问题，研究团队创新性提出“高强化效率”设计理念，采用总合金元素含量低于1wt.%的微合金化协同策略，研发出Zn-0.8Mn-0.1Mg和Zn-0.8Mn-0.1Li两种新型可降解锌合金。

该新型合金是兼具优异力学性能与生物调控功能的生物活性材料。力学性能上，合金屈服强度达369—397MPa，延伸率为42—57%，强化效率达6.4—6.8，在国际同类材料中居领先水平，通过晶粒细化、位错强化等多机制协同，实现强度与塑性的理想平衡。

生物功能层面，该合金通过多离子协同释放，构建“抗菌-成骨-成血管-免疫调节”多功能体系；针对大肠杆菌抗菌率达96.7%—98.6%，能显著促进成骨细胞增殖与血管内皮细胞迁移，细胞存活率超100%；降解速率为0.17—0.25mm/年，与骨愈合周期精准匹配；兔模型中，12周骨-植入物接触率达74.17%—76.26%，新骨体积较纯钛对照组近乎翻倍。

机制研究表明，合金通过激活PI3K/Akt/HIF-1α信号通路，构建了利于骨再生的“免疫-代谢-血管” 微环境，为软骨下骨运动创伤的高效修复提供了关键支撑。

这一成果的取得，得益于北京大学第三医院构建的跨学科协同创新平台。北京大学第三医院以北京学院路临床医学协同创新联盟为核心，与北京科技大学、北京化工大学、北京航空航天大学等多所高校建立合作，构建了“临床需求牵引-基础研究突破-技术转化落地”的创新生态。

在此平台支持下，两年内，张辛团队携手相关高校团队连续在材料学顶刊Advanced Materials发表三项重要成果。

2024年联合北京科技大学徐晓光教授团队研发超顺磁复合水凝胶支架，实现骨关节炎治疗与 MRI 动态监测一体化（Rong M, Liu D, Xu X, et al. A Superparamagnetic Composite Hydrogel Scaffold as In Vivo Dynamic Monitorable Theranostic Platform for Osteoarthritis Regeneration. Adv Mater. 2024;36(35):e2405641. doi:10.1002/adma.202405641）。

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同年，张欣携手北京化工大学蔡晴团队推出可降解压电-导电双层水凝胶支架，精准匹配骨软骨双重修复需求（Liu D, Wang X, Gao C, et al. Biodegradable Piezoelectric-Conductive Integrated Hydrogel Scaffold for Repair of Osteochondral Defects. Adv Mater. 2024;36(45):e2409400. doi:10.1002/adma.202409400）。

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2025年成功研发出新型可降解锌合金，形成覆盖骨关节炎治疗、骨软骨缺损修复的多元化解决方案。

本研究由北京科技大学李相民博士、北京大学第三医院刘丁阁博士等为共同第一作者，王鲁宁、张辛、石章智为共同通讯作者，获国家自然科学基金等项目资助。