北京科技大学の王魯寧教授のチーム: 皮質骨の機械的特性を模倣した分解性 Zn-Mg 共晶合金の付加製造!

北京科技大学の王魯寧教授のチーム: 皮質骨の機械的特性を模倣した分解性 Zn-Mg 共晶合金の付加製造!
第一著者: 鄭玉哲、黄成聡 責任著者: 李亜庸准教授、王魯寧教授 出典: アルミニウムハイエンド製造

近年、付加製造(AM)による生分解性多孔質亜鉛合金は、その適度な分解速度、良好な生体適合性、相互接続された微細多孔構造、および優れた機械的特性により、有望な骨代替材料として徐々に登場し、ますます注目を集めています。 AM 亜鉛合金多孔質スキャフォールドは海綿骨の機械的特性と一致することが以前に報告されていますが、皮質骨の機械的特性と一致させることは依然として大きな課題です。この課題を克服するために、北京科技大学の李亜庸准教授と彼の学生たちは共同でAM Zn-3Mg共晶合金を開発しました。


著者らはレーザー粉末床溶融結合技術を用いてZn-3Mg合金を作製し、純亜鉛と比較した。 AM Zn-3Mg 合金は、著しく微細化された結晶粒と、交互の α-Zn/Mg2Zn11 の独特な微細構造を示します。固体 Zn-3Mg サンプルの圧縮特性は引張特性をはるかに上回り、圧縮降伏強度は最大 601 MPa、極限ひずみは 60% を超えます。これを基に、著者らは固体コアを備えた機能的に傾斜した多孔質構造を設計・製造し、全体の多孔度を 60% に維持しながら皮質骨と同様の機械的特性 (120 MPa を超える圧縮降伏強度、約 20 GPa の弾性率など) を実現しました。分解性能の面では、Zn-3Mg サンプルの生分解率は純粋な Zn よりも低く、AM プロセス パラメータを調整することで調整できます。生物学的性能の面では、Zn-3Mg サンプルは純粋な Zn と比較して、より高い代謝活性や MC3T3 細胞の骨形成挙動の強化など、より優れた生体適合性を示しました。全体として、これらの結果は、皮質骨を模倣した AM 多孔質生分解性金属の機械的特性における重要な前進を示しており、荷重支持骨欠損の治療における AM 多孔質亜鉛合金ベースのスキャフォールドの潜在的な臨床応用価値を浮き彫りにしています。

図1 積層造形された亜鉛合金サンプルの微細構造分析:(ad)さまざまなプロセスで印刷された純粋なZnおよびZn-3Mg合金サンプルの密度分析、(eh)走査顕微鏡下で印刷された純粋なZnおよびZn-3Mg合金サンプルの灰白色の絡み合った微細構造、(ik)純粋なZnおよびZn-3Mg合金サンプルの灰白色領域の局所微細構造、(l)ZnおよびZn-3Mg合金サンプルのEDS分析、(mp)走査顕微鏡下での純粋なZnおよびZn-3Mg合金サンプルの微細構造、(qs)Zn-3Mg合金サンプルのTEM分析、(t)Mg2Zn11第2相のサイズ分布。

図 2 インビトロ生体適合性分析: (a) 異なる抽出物濃度で 1 日培養した後の MC3T3 細胞の生死染色結果、(b) 異なる抽出物濃度で 14 日間および 21 日間培養した後の MC3T3 細胞の ALP 染色結果、(c) 異なる抽出物濃度で 21 日間培養した後の MC3T3 細胞の AR 染色結果。
図 3 積層造形された機能的勾配 Zn-3Mg スキャフォールドの性能評価: (a、b) 極小表面とダイヤモンド機能的勾配スキャフォールドのマイクロ CT 分析、(c、d) 印刷方向と構築方向のサンプルの逆極点図分布、(e、f) {0001} 極点図、(g) 圧縮応力-ひずみ曲線、(h、i) スキャフォールドの in vitro 分解挙動、(j) MC3T3 細胞活性、(kn) 生/死染色結果。 図4 積層造形された機能傾斜Zn-3Mgスキャフォールドの機械的特性:(a)降伏強度と多孔度、(b)弾性率と多孔度 - 本研究および文献からのデータ。
金属、バイオニック、合金

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