北京大学北京大学第三医院李危石/秦瑜团队研发4D金属骨植入物，有效促进骨再生

5月27日，北京大学第三医院骨科李危石教授/秦瑜副研究员团队联合北京大学郑玉峰教授、清华大学温鹏副教授与北京航空航天大学杨宏韬助理教授在《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为《通过生物降解实现4D金属超材料骨植入物》（“4D metallic metamaterials for bone implants via biodegradation”）的研究成果。

论文截图

3D打印金属骨植入物在骨科疾病治疗中发挥了重要作用。与传统批量生产的标准植入物相比，3D打印可根据患者骨缺损的具体形态定制个性化假体，显著提升匹配度和手术效果。然而，传统3D打印植入物是静态的——植入后形状固定，无法主动适应周围骨组织的生长和愈合过程。如何让植入物“活起来”，在体内完成变形、贴合，甚至主动刺激骨再生，一直是骨再生领域的重大挑战。

基于此，团队在去年被动适配的钛合金非线性超材料骨植入物基础上（Nat Comm 2025 16: 2180，ESI高被引），提出并制备了主动适配的“4D金属力学超材料”骨植入物。这不仅是3D打印金属骨植入物向时间维度的跨越，更开创了金属材料无需外部刺激即可在体内实现可控变形和主动促骨再生的全新路径。所谓4D，是指植入物在3D结构基础上，具备随时间变化而改变形状的能力。以往实现4D效果多依赖形状记忆合金或刺激响应聚合物，但前者合金设计复杂、生物相容性受限，后者机械强度不足，难以用于承重骨修复。本研究另辟蹊径：将高弹性生物金属（如钛、锌）与可降解金属（如镁）组合成特殊结构——弹性金属作为主体，可降解金属作为“约束”。当约束在体液中逐渐腐蚀消失时，预压缩或预弯曲的主体便会释放弹性势能，主动恢复至设计形状。

4D金属骨植入物的技术路线

研究团队设计了弯曲、扩张、拉伸三种变形模式。以拉伸型支架为例：内部镁弹簧与外部锌支架通过螺距差异设计，使支架被均匀预压缩。在模拟体液中，镁约束降解后，支架可恢复至原始长度，并产生有效的恢复力。更重要的是，这种恢复力并非副作用，而是“主动机械刺激”。动物实验显示，植入4D支架后，新生骨形成效果显著优于普通锌支架和未预压缩的对照组。机制研究表明，恢复力可激活促进成骨的相关信号通路，而镁离子则发挥抗炎和促骨形成的协同作用。生物活性与机械刺激双管齐下，实现了“一加一大于二”的促骨再生效果。

4D骨植入物（Zn@Mg）与3D骨植入物（Zn、Zn@Mgo）的骨再生效果对比

这种4D骨植入物的特别之处在于，它利用生理环境中天然存在的腐蚀过程作为时间触发机制。降解速率可以通过金属组合调节，恢复力可以通过结构参数调节，主体材料也不局限于某一种形状记忆合金。这使得4D金属超材料具有更高材料选择自由度，更适合骨植入、腱骨界面修复或药物递送等长期植入场景。

秦瑜、北京大学第三医院景泽昊副研究员为共同第一作者。李危石、秦瑜、郑玉峰、温鹏、杨宏韬为共同通讯作者。该研究获国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目的资助。