北大口腔孙玉春教授团队发现含钽锆基非晶合金材料或可用于种植体

北大口腔孙玉春教授团队发现含钽锆基非晶合金材料或可用于种植体

随着人口老龄化和医疗技术的发展，越来越多的人选择通过内植入物来恢复或改善身体功能。内植入物，如人工关节、骨折固定装置和牙科植入物，是现代医学中不可或缺的一部分。它们不仅帮助恢复受损硬组织的功能，还能提升患者的生活美学。然而，这些植入物的长期功能受到多种因素的影响，包括机械行为、耐腐蚀性、化学稳定性和生物相容性。金属材料，如钛及其合金、钴铬合金和316L不锈钢，因其优异的机械性能而被广泛应用于内植入物。但这些材料存在一些问题，比如弹性模量与自然骨骼不匹配、缺乏生物活性、潜在的毒性效应和较差的摩擦学性能。为了改善这些不足，研究人员开始探索新型材料，其中钽（Ta）因其出色的耐腐蚀性和生物效应而备受关注。钽能够通过形成稳定的Ta2O5被动层来展现良好的耐腐蚀性，并且其高材料表面能有助于细胞的粘附和生长。但钽的弹性模量高达186 GPa，与自然骨骼（10-30 GPa）不匹配，且其高密度、价格和熔点使得加工困难且成本昂贵。
北京大学口腔医学院的孙玉春教授团队尝试将少量钽（低至3原子%）添加到锆基非晶合金（Zr-MG）中，以创造出具有优越综合性能的先进功能性内植入物。这种新型合金被称为Zr58Cu25Al14Ta3 MG，它不仅继承了锆基非晶合金的高强度和低弹性模量，还通过钽的添加显著提高了化学稳定性和材料-细胞接触的调控能力。相关研究成果以“一种具有优良骨内种植体相关性能的含钽锆基非晶合金（A tantalum-containing zirconium-based metallic glass with superior endosseous implant relevant properties）”为题在《生物活性材料》（Bioactive Materials）上发表。



研究人员成功开发了一种新型的含钽锆基非晶合金（Zr58Cu25Al14Ta3 MG），并对其原子结构和表面化学进行了深入分析。研究发现，钽的非晶化使得其在材料表面均匀分布，从而显著提高了化学稳定性，并广泛调节了材料-细胞接触。通过下一代测序技术，系统地分析了材料对免疫反应、血管生成和成骨能力的影响，揭示了Zr58Cu25Al14Ta3 MG能够通过VEGF信号通路调节血管生成，并通过BMP信号通路促进成骨。动物实验进一步证实了Zr58Cu25Al14Ta3 MG在实现更好的骨-植入物接触和诱导更快的植入物周围骨形成方面的稳固骨整合。研究表明，Zr58Cu25Al14Ta3 MG能够通过特定的信号通路有效促进血管生成和成骨，且在动物实验中展现出了优异的骨整合能力。这些发现为开发新型生物医用材料提供了重要的科学依据，并有望在未来的临床应用中改善患者的治疗效果和生活质量。