磁驱动器件在辅助诊断、靶向给药、微创手术等生物医学领域具有独特的优势。由于软磁材料能够在磁驱动中表现出不同的动态行为，因此可以实现更复杂和灵活的磁驱动。

其中，FeSiB非晶/纳米晶合金因具有高饱和磁化强度、低矫顽力等优异的软磁性能与良好的生物相容性，在磁驱动领域表现出极大的应用潜力。

然而，如熔体旋淬法等传统制备方法虽能通过高冷却速率获得非晶相，但只能制备简单形状的薄带或细丝，难以满足器件对复杂结构的需求。因此，探索兼具高冷却速率与几何定制能力的制备工艺是实现FeSiB非晶/纳米晶合金在磁驱动器件领域应用的关键。激光粉末床熔融（LPBF）金属增材制造/3D打印技术的出现为这一难题提供了解决方案。

近日，中南大学研究团队在JMST期刊发表了题为Competitive microstructural evolution on the soft magnetic and mechanical properties of FeSiB amorphous/nanocrystalline alloys fabricated by laser-beam powder bed fusion的论文。揭示了LPBF增材制造成形FeSiB合金中致密度与非晶化程度的竞争性演变规律及其对软磁性能的交换耦合调控机理。

本期谷·专栏将对JMST刊登的论文解读内容进行分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.063

第一作者：高成德
通讯作者：帅词俊
通讯单位：中南大学

01
激光增材制造FeSiB合金成型质量-非晶度的竞争关系

LPBF作为一种典型的金属增材制造技术，突出的特点就是快速凝固、非平衡组织的构建和高工艺自由度。

在LPBF过程中，激光功率、扫描速度等工艺参数共同决定体能量密度，从而影响熔池行为、成型质量以及相结构。

中南大学的研究发现，合金密度随着激光功率升高和扫描速度降低而增加。然而，较低扫描速度或较高激光功率条件下的低冷却速率却不利于非晶相的形成。

相关性分析显示出合金的致密度与非晶含量之间存在竞争关系，因此，优选工艺参数下致密度和非晶含量的合理平衡是获得最佳综合性能的必要条件。

02
FeSiB合金非晶/纳米晶双相结构的形成与共存机制

LPBF制备FeSiB合金呈现典型的非晶/纳米晶双相结构，即以非晶相为基体，α-Fe(Si)与Fe2B纳米晶晶粒嵌布于基体中，这些纳米晶颗粒通常集中分布在熔池边界或热影响区。

由于LPBF过程中存在极高的冷却速率，熔池在快速凝固过程中能够抑制原子长程有序排列，从而形成以非晶相为主的基体结构。然而，由于熔池内部存在温度梯度和热循环效应，局部区域仍可能发生部分晶化，从而形成纳米尺度的晶体相。

03
FeSiB合金软磁性能的影响因素与调控机理

LPBF制备FeSiB非晶/纳米晶合金的软磁性能主要由非晶/纳米晶双相结构、晶粒尺寸、内部缺陷等多因素共同决定。

非晶结构由于缺乏晶界和低磁各向异性，可显著降低矫顽力，纳米晶相的引入能够通过非晶基体与纳米晶体之间交换耦合作用来提高饱和磁化强度，当纳米晶尺寸处于纳米尺度且均匀分布时，可在保持较低矫顽力的同时提升磁化能力。

然而，晶粒尺寸增大或晶体相含量过高会导致磁畴壁运动受到阻碍，从而增加矫顽力并降低软磁性能。与此同时，合金中的孔隙和裂纹等缺陷也会作为畴壁的钉扎位点并导致矫顽力恶化。因此，非晶/纳米晶结构和成型质量的平衡是LPBF制备FeSiB合金实现高饱和磁化强度与低矫顽力的关键。

04
FeSiB合金的力学性能与强化机制

LPBF制备FeSiB非晶/纳米晶合金因其非晶/纳米晶双相结构展现出增强的力学性能，并受到合金的非晶化程度与致密度的共同影响。

非晶结构由于缺乏位错滑移机制，通常具有较高的硬度和强度，但塑性相对有限。通过在LPBF制备FeSiB合金的非晶基体中引入纳米晶强化相，可显著提升合金的塑性变形能力。

与此同时，合金的孔隙等内部缺陷往往会在加载过程中成为裂纹萌生源而导致合金的力学性能下降。因此，研究团队通过调控LPBF工艺参数以实现材料致密度与非晶含量之间的平衡，从而制备兼具软磁性能和力学性能的FeSiB非晶/纳米晶合金。

05
总结与展望：激光增材制造软磁合金的未来

为解决传统制备方法在FeSiB非晶/纳米晶合金制备过程中存在的外形结构受限和生物安全威胁的问题，这项研究创新性采用LPBF技术制备FeSiB非晶/纳米晶合金，系统探究了LPBF工艺参数对合金的成型质量、显微结构、软磁性能和力学性能的影响规律，重点揭示了工艺参数调控下合金致密度和非晶度竞争性的内在机制及其性能增强机理。

结果表明，LPBF技术是实现FeSiB合金结构与性能定制化调控的有效方法，其通过平衡致密度与非晶化程度的竞争关系，为高性能软磁合金在磁驱动领域的应用提供了新思路和研究支撑。

06
图片解析

图1 不同能量密度（E，200-1000 J/mm³）下单道熔道的超景深图像。具体的激光功率（P）和扫描速度（v）如下：(a) 160 W，240 mm/s；(b) 200 W，240 mm/s；(c) 250 W，200 mm/s；(d) 300 W，160 mm/s；(e) 300 W，120 mm/s。

图2 LPBF制备的FeSiB样品的（a）密度和（b）非晶含量随激光功率（P）和扫描速度（v）变化的等高线图；（c）能量密度、激光功率、扫描速度、密度和非晶含量的相关矩阵（皮尔逊相关系数和斯皮尔曼秩相关系数）。

图3 LPBF制备的FeSiB样品的密度/非晶含量与激光功率、扫描速度和能量密度的点云图，以及拟合函数和R²值。

图4 LPBF制备的P300v220样品的SEM和EBSD分析：(a) 截面结构的SEM图像；(b) 熔池和热影响区；(c)热影响区内的微观结构；(d, f) 相图；(e, g) 对应于(d)和(f)的反极图；(h) 晶界分布；(i) 对应于(e)的晶粒尺寸-面积分数图。

图5 LPBF制备的P300v220样品的明场TEM图像：(a) TEM和SAED（插图）图像；(b) 纳米晶和非晶区域之间的明显界面；(c) 纳米晶和(d) 非晶区域的IFFT和FFT（插图）图像；(e) 非晶相中纳米晶粒和中程有序结构的HRTEM图像；(f, g) 纳米晶粒分布的TEM和HRTEM图像；(h) Fe₂B相的IFFT和FFT（插图）图像。

图6 LPBF制备的FeSiB样品的磁性能：(a) 磁滞回线；(b) Ms和Hc随非晶含量的变化；(c) 磁致伸缩曲线；(d) 饱和磁致伸缩系数（λmax）随非晶含量的变化。

图7 (a) 硬度和(b) 杨氏模量的等高线图（黑点表示压痕位置）；(c) LPBF制备的FeSiB样品的平均硬度（蓝色表示）和杨氏模量（红色表示）；(d) 典型的载荷-位移曲线；(e) 塑性和弹性功的分布区域；(f) 载荷-位移曲线的局部放大图。

论文引用

Chengde Gao, Jingwei Hu, Xiong Yao, Hao Pan, Cijun Shuai, Competitive microstructural evolution on the soft magnetic and mechanical properties of FeSiB amorphous/nanocrystalline alloys fabricated by laser-beam powder bed fusion, J. Mater. Sci. Technol. 246 (2026) 28-43.

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

近日，华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室联合香港城市大学、香港理工大学在仿生陶瓷增材制造取得突破，团队首次揭示海胆棘刺梯度多孔结构的机电感知天然机制，并通过仿生结构设计与增材制造技术成功复刻该功能，打破了无机材料/结构与有机生命感知功能之间的传统界限，不仅深化了对天然负载敏感型多孔结构（如木材、骨骼和海绵等）的跨越式理解，也将为生物医疗、能源储存、航空航天等领域的结构-功能一体化材料研发提供开创性原理与技术途径。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-026-10164-9

 研究背景

多孔结构因具备优异的物质传输、力学性能与能量吸收特性，广泛存在于木材、骨骼等自然系统，也被大量应用于催化剂载体、过滤介质等工程场景。受自然启发的仿生多孔结构往往兼具高强韧性与良好的损伤容限，成为研发下一代智能材料的重要方向，为多个高端领域的科研探索与工业应用提供关键灵感。

然而，天然多孔材料中潜藏的生物功能与物理机制仍远未被充分揭示，且传统无机材料/结构难以实现类似有机生命的感知功能，如何挖掘天然多孔结构的独特功能并转化为人工材料的设计范式，成为材料领域发展的关键挑战。

核心研究：海胆棘刺机电感知机制与仿生制造技术

• 天然结构机电感知功能发现：团队首次发现海胆棘刺内部天然形成的梯度多孔结构具备意想不到的机电感知功能，其感知电位强度与响应速率较棘皮动物视觉感知提高1-3个数量级（逾千倍），即便是无神经细胞的海胆棘刺，也能通过该结构实现高效的力电感知。
• 机电感知核心机制解析：海胆棘刺的力电感知能力，源于其沿 [001] 棘轴的梯度双连续多孔结构：当液体流过该梯度孔隙结构时，不同孔径区域会产生表面电荷密度差，进而形成可检测的电信号，这一机制是海胆棘刺实现高效机电感知的核心原理。
• 仿生梯度多孔结构增材制造：受海胆棘刺天然结构启发，团队通过仿生结构设计与增材制造技术，成功制备出梯度陶瓷多孔结构，完美复现了天然的机电感知功能。该仿生制造技术展现出较高的材料普适性与结构依赖性，在多种陶瓷与高分子梯度结构中均能验证机电感知功能，且梯度结构的设计是实现该功能的关键。

 技术性能与成果

• 性能大幅提升：与无梯度结构相比，仿生制备的梯度多孔结构陶瓷样品电压输出提升3倍，振幅增加8倍，机电感知的信号强度与响应效果实现跨越式提升。
• 打破传统界限：该研究首次实现了无机材料对有机生命感知功能的复刻，打破了无机材料/结构与有机生命感知功能之间的传统认知界限，为材料功能设计提供了全新思路。
• 深化天然结构认知：研究成果深化了对天然负载敏感型多孔结构（如木材、骨骼、海绵等）的理解，为挖掘更多天然结构的潜在功能提供了研究范式。

拓展应用：结构-功能一体化智能材料及器件

基于本次研究的仿生制造技术与机电感知原理，可进一步研发各类结构-功能一体化智能材料与器件，在多个高端领域展现出巨大应用潜力：

• 生物医疗领域：可开发具备感知功能的仿生植入器件、智能检测耗材，实现人体生理信号的实时、高效感知。
• 航空航天领域：制备兼具力学性能与环境感知功能的结构材料，应用于航天器、航空设备的智能监测与防护。
• 能源储存领域：研发带感知功能的能源器件结构，实现能源存储过程中的状态监测与安全预警。

目前，相关研究成果以”Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception”为题发表于国际顶级期刊Nature上，华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室主任闫春泽教授、苏彬教授，香港城市大学吕坚院士、香港理工大学协理副校长王钻开教授为共同通讯作者，华中科技大学陈安南博士为第一作者。

引用信息

Chen, A., Wang, Z., Guan, Z.et al.Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception. Nature(2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10164-9

转载自：PatEX国际知识产权转化平台

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

2026年1月20日，国家医疗保障局近日正式印发《手术和治疗辅助操作类医疗服务价格项目立项指南（试行）》（以下简称《立项指南》），首次在全国层面，将3D打印、手术导航等前沿辅助操作，系统性地纳入医疗服务价格项目管理体系。

这份文件不仅是对技术的认可，更是一份清晰的产业化路线图，标志着我国医疗3D打印行业从“科研探索”迈向“规范应用”的关键转折点已经到来。本期文章将分享诺普再生医学对于该文件的解读。

《立项指南》的出台，从根本上解决了医疗3D打印技术市场化应用的“最后一公里”难题——合规收费路径。

过去，尽管技术价值已被临床证实，但其收费缺乏全国统一的规范，各地名称、内涵不一，甚至依赖医院自设项目或患者完全自费，严重制约了技术的普及。国家医保局此次统一立项，从支付端给予了明确身份，意味着3D打印技术服务从“可做”变成了“可做且可收费”，医疗机构采购相关服务与设备的制度障碍被扫清。

这一转变背后，是国家推动医疗事业高质量发展的清晰意图：通过价格机制，引导优质医疗技术资源下沉并规范应用，最终让患者受益于更精准、创伤更小的治疗方案。

《立项指南》并未将3D打印视为单一技术，而是根据其临床价值和应用成熟度，进行了精细化的分层设计，为不同发展阶段的企业指明了赛道。

1 当前主要市场——解剖模型打印

主要用于术前规划、医患沟通和教育培训。这是技术门槛相对较低但需求量最大的市场，政策将其确立为基础项目，确保行业有稳定的现金流支撑。

项目名称：医学3D重建辅助操作费。

服务产出：通过数字技术、人工智能技术等将患者影像检查结果构建虚拟3D模型，满足术前规划、导板设计、手术预演、可植入假体制作等需要。

价格构成：所定价格涵盖计算软件或人工智能建模、协助医生提前预演手术操作并研判手术效果、数据处理与上传存储（含数字方式）等步骤所需人力资源、设备运转成本与基本物质资源消耗。

2 高附加值市场——医学3D模型打印、手术导板打印

医学3D模型、手术导板是术中使用的个性化器械，直接参与手术过程，精度要求极高。政策将其单独列出，认可了其临床价值和经济价值。这将成为生物打印企业技术升级的重点方向。

项目名称：医学3D模型打印辅助操作费、医学3D导板打印辅助操作费。

服务产出：通过增材制造技术将虚拟3D模型制备成仅具有病情诊断、手术规划功能的实体模型；用于手术定位、确保手术器械或植（介）入物精准到达预定位置的实物模板。

价格构成：所定价格涵盖模型接收、材料准备、3D打印、实时监控、取出、去支撑、固化、表面处理等步骤所需的人力资源、设备运转成本、物料消耗与基本物质资源消耗。

3 未来黄金赛道——生物活性打印

文件前瞻性地为“生物3D打印（组织/血管/器官）”单独设立价格项目，这是一项具有战略意义的布局。它不仅为尚在临床研究阶段的活性细胞打印技术预留了未来的收费通道，更是向产业和资本市场发出了强烈信号：再生医学与类器官领域的规范化、产业化发展是国家明确支持的方向。这为从事生物墨水、生物打印设备研发的企业注入了强大的长期信心。

项目名称：生物3D打印（组织）辅助操作费

服务产出：通过生物打印技术将3D模型制作成用于治疗或辅助治疗的仿生生物组织/血管/器官。

价格构成：所定价格涵盖模型接收、材料准备、3D打印、实时监控、取出等步骤所需的人力资源、设备运转成本、物料消耗与基本物质资源消耗。

《立项指南》在打开市场大门的同时，也设立了明确的技术与质量门槛，旨在推动行业有序竞争和可持续发展。

技术操作细分：将服务细分为“建模”与“打印”，强调了数据处理与软件能力的重要性，促使企业构建更完整的技术解决方案。
合规性要求：明确要求在材料、精度与生物安全方面符合相关规范。这意味着企业必须建立从数据管理、打印生产到术后追溯的全流程质量控制体系，并确保所用材料具备相应的医疗器械资质。
数据互联导向：相关操作需存储并上传医疗数据的要求，提示着与医院信息系统的对接能力，将成为企业提供深度服务、构建竞争壁垒的关键。

随着收费路径的畅通，医疗3D打印的市场逻辑将被重塑，催生新的商业模式和合作形态。

对于医疗机构而言，采购模式将从“科研合作”或“灰色收费”转向常规的医疗服务采购，决策流程更规范，长期合作的意愿更强。

对于3D打印企业而言，竞争焦点将从单一的技术演示，转向“技术+资质+服务+数据”的综合能力比拼。两种主流商业模式将更加清晰：

1. 技术赋能模式：向医院提供打印设备、软件及培训，帮助其建立院内打印中心。

2. 中心服务模式：建立区域化第三方打印服务中心，为多家医院提供高复杂度的模型、导板及未来的生物打印产品服务。

政策落地后，我国医疗3D打印市场规模有望在未来3-5年内实现数倍增长，其中手术导板和高值生物打印产品将成为主要增长极。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

据悉，该产品是国内首款3D打印、仿生多孔结构、钙硅基生物陶瓷的口腔用骨修复材料，标志着上海硅酸盐所以硅基生物陶瓷为特色的生物材料基础研究成果转向临床应用取得重要进展。

钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

3D打印钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料主要用于牙槽骨缺损修复治疗。牙槽骨缺损是一项极具挑战性的临床难题，不仅严重影响患者的咀嚼、吞咽、呼吸等基本生理功能，还对其面容和心理造成巨大压力。上海硅酸盐所生物材料与组织工程课题组自2001年成立以来聚焦无机生物材料用于组织再生修复研究，在国际上率先开发形成包括白硅钙石等多种生物陶瓷的硅基生物材料库，并系统揭示了生物陶瓷活性离子释放对骨、血管等组织再生修复的调控与促进作用；自2011年起，进一步将硅基生物陶瓷与3D打印技术相结合，实现生物陶瓷宏观复杂形状与微观孔道结构的精准构建，特别是在国际上率先提出并实现生物陶瓷仿生结构构建理念，并证实仿生结构特征对大块骨缺损的血管化再生修复功能，研究成果发表在Advanced Materials、Science Advances、Materials Today和National Science Review等国际高水平学术期刊，申请专利90多项，并获上海市自然科学一等奖，为解决颌骨缺损治疗难题提供了创新性解决方案。

为实现上述科研成果的产业转化与临床应用，生物材料与组织工程科研团队自2014年起与正海生物正式建立合作，2016年科研团队负责人吴成铁研究员依托正海生物合作申报并获“泰山产业领军人才”，牵头启动“3D打印新型多孔硅基生物活性骨修复材料的产业化”项目，并于2017年带领科研团队完成“三维打印白硅钙石生物活性陶瓷人工骨”项目的技术转让，与正海生物合作攻关用于牙槽骨缺损治疗的3D打印钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料产业与临床转化。

在随后的合作历程中，科研团队与正海生物产品研发团队密切合作，协助和配合其完成了产品的配方优化、工艺确认和技术放大等重要产业化节点工作；所形成的3D打印钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料顺利通过医疗器械产品注册检验，并在武汉大学口腔医院、南京医科大学附属口腔医院等多家临床医院完成多中心随机对照临床试验，结果表明该产品能显著促进牙槽骨缺损的修复与再生，并具有优异的生物安全性。双方经历8年的紧密合作，获得国内首款3D打印口腔用生物陶瓷骨修复材料III类医疗器械注册证。

医疗器械产品注册证

该成果标志着上海硅酸盐所硅基生物陶瓷用于骨再生修复领域科研成果正式迈入临床并实现临床应用，对于实现我国“十五五”规划“加速建设健康中国”目标的实现将产生积极作用。该成果充分体现了科研团队创新性科研成果对产生高值医疗器械产品所起到的至关重要的“源头”作用，也是产学研医合作实现科研成果产业与临床转化的范例。现阶段，上海硅酸盐所生物材料与组织工程科研团队正在继续开展硅基生物陶瓷用于皮肤和关节等复杂组织再生修复的科研成果转化工作，并取得阶段性进展，预期在未来3年将开发出更多的医疗器械产品用于临床。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

“结构-生物功能一体化的多孔钽植入物关键技术研发与应用”项目，着力攻克当前硬组织植入材料面临的技术瓶颈，专注于研发结构与生物功能一体化的多孔钽植入物。

项目旨在通过全产业链协同，为骨病患者提供可靠、持久的治疗方案。同时，国产钽粉、装备、工艺、检验、临床的闭环体系一旦跑通，将直接降低对进口产品的依赖，推动钽金属医疗器械产业链的发展，并为国内医疗器械升级提供范本。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

 解决多孔钽金属植入物的技术挑战

近日，由郝永强教授领衔，上海交通大学医学院附属第九人民医院与宁夏东方钽业股份有限公司等单位联合申报的“结构-生物功能一体化的多孔钽植入物关键技术研发与应用”项目，再次成功入选国家工信部、国家药监局第二批生物医用材料“揭榜挂帅”榜单。这是继“高品质钽金属植入体增材制造及其医学应用”项目入围第一批榜单后，上海九院郝永强教授团队再次获得此项荣誉，进一步彰显了团队在生物医用材料领域的领先地位和持续创新能力。

郝永强教授表示，本项目将着力攻克当前硬组织植入材料面临的技术瓶颈，专注于研发结构与生物功能一体化的多孔钽植入物。通过多项技术创新，团队将有效解决现有多孔钽金属植入物面临的技术挑战，推动该领域的技术突破和产业化应用。

结构-生物功能一体化的多孔钽新型植入物不仅能够更高效地促进骨组织的修复，还能实现植入体与骨界面的更好整合，为患者提供更为可靠、持久的治疗方案，从根本上提升骨病患者的生活质量。在此项目中，上海九院骨科团队将继续发挥其在骨科临床领域的技术创新优势，并与宁夏东方钽业股份有限公司、上海交通大学、华南理工大学、上海大学、中国科学院金属研究所、中国食品药品检定研究院、大博医疗科技股份有限公司、湖南华翔医疗科技有限公司、西安赛隆增材技术股份有限公司、宁夏东方智造科技有限公司、宁夏医科大学总医院、大连大学附属中山医院、六安市人民医院等13家单位紧密合作，攻克钽金属在医疗器械中的应用难题，旨在通过自主创新，打破国外企业的技术垄断，为国内医疗器械行业的转型升级提供强大助力。
钽金属以其出色的生物活性和相容性，已在骨科领域展现出巨大的市场潜力。与传统钛合金相比，多孔钽植入物能更好地实现金属与骨组织的整合，促进骨愈合。针对国外企业的市场垄断与技术封锁，此次入围的“结构-生物功能一体化的多孔钽植入物关键技术研发与应用”项目整合国内“产-学-研-检-用”方面的优势资源，从原材料、增材制造装备、加工工艺、植入物设计、质量检验、临床推广应用及产业化进行全产业链、全生命周期各关键环节覆盖以实现从高品质钽金属粉末到结构-生物功能一体化多孔钽金属植入物制备与应用，推动钽金属医疗器械产业链的发展。

 “揭榜”的背后

根据《关于组织开展生物医用材料创新任务揭榜挂帅（第二批）工作的通知》（工信厅联原函〔2025〕41号），工业和信息化部、国家药品监督管理局联合组织开展了遴选工作，上海九院与东方钽业联合申报的“结构-生物功能一体化的多孔钽植入物关键技术研发与应用”项目再次入围生物医用材料创新任务揭榜挂帅（第二批）单位。

“揭榜挂帅”制度由国家工信部、国家药监局联合组织，旨在突破生物医用材料领域的技术瓶颈，推动一批具有国际竞争力的标志性技术和产品的研发。通过这一制度，政府将为相关项目提供更多科研经费支持，促进技术创新的转化和应用。“揭榜挂帅”，是一种以科研成果来兑现的科研经费投入体制，由政府组织面向全社会开放征集科技创新成果的一种非周期性科研资助安排。近年来，面对突破“卡脖子”瓶颈的迫切需求，全国各地陆续推出科技攻关“揭榜挂帅”制度，集众智、汇众力，激活创新动能。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出，“改革重大科技项目立项和组织管理方式，给予科研单位和科研人员更多自主权，推行技术总师负责制，实行‘揭榜挂帅’‘赛马’等制度，健全奖补结合的资金支持机制。”由此，“揭榜挂帅”制度正式从地方探索上升为国家层面的顶层设计，针对最迫切的科研难题，以开放式创新的形式，最大程度地调动社会各界智力潜能，以最快的速度找到切实可行的解决方案。

为加快生物医用材料研制生产及应用进程，推进生物医用材料上下游协同创新攻关，推动医疗器械产业高质量发展，加速在相关下游医疗器械产品领域实现落地应用。国家工信部、国家药监局组织开展了生物医用材料创新任务“揭榜挂帅”工作，重点突破一批量大面广、技术先进、带动性强、安全可靠的标志性生物医用材料，材料性能符合临床应用要求，形成稳定可靠的规模化生产能力。

2025年8月26日，工业和信息化部、国家药品监督管理局结束了层层遴选工作，将入围揭榜单位进行公示。其中由宁夏东方钽业股份有限公司牵头，上海交通大学医学院附属第九人民医院、上海交通大学、华南理工大学、上海大学、中国科学院金属研究所、中国食品药品检定研究院、大博医疗科技股份有限公司、湖南华翔医疗科技有限公司、西安赛隆增材技术股份有限公司、宁夏东方智造科技有限公司、宁夏医科大学总医院、大连大学附属中山医院、六安市人民医院合计14家单位联合申报的“结构-生物功能一体化的多孔钽植入物关键技术研发与应用”揭榜挂帅项目通过审查、网评、答辩3轮评审成功入围第二批生物医用材料“揭榜挂帅”榜单。上海九院骨科郝永强教授担任项目负责人。

此次入围的“结构-生物功能一体化的多孔钽植入物关键技术研发与应用”项目将进一步推动钽金属在骨科治疗中的应用，为广大骨病患者带来福音。项目团队将在技术创新的基础上，持续推动骨科领域医疗器械的精准化和个性化发展，助力我国医疗器械产业在国际市场中占据一席之地。

上海九院个性化骨关节定制假体研发及推广应用始于上世纪80年，早在2013年就成立了国内第一家3D打印技术临床转化研发中心，是国际上最早将增材制造技术引入医学领域、集产学研于一体的医学3D打印中心，已发展成为上海市医学3D打印技术临床转化工程研究中心、上海骨科创新器械与个性化医学工程技术研究中心两个省部级科研平台，长期致力于研究和推广增材制造技术在医学临床领域的应用，在增材制造医疗器械临床应用领域创造了多项“世界首例”。近年来开展了钽金属相关促成骨研究，利用增材制造技术制备了多孔钽支架，在体内和体外的研究证实了钽金属具有良好的促成骨活性和优异的骨整合能力，相关结果已在国际期刊发表。在临床应用方面，团队在国际上最早将增材制造3D打印钽骨内固定器应用于临床，申请并获得授权专利。针对钽金属密度过大在临床应用中影响疗效的问题，团队联合上海交通大学材料学院开发了新型等离子浸没离子注入工艺钽金属涂层医疗器械，为国际首次将该新工艺制备具有生物活性的功能性钽涂层假体，并用于临床治疗。团队现已开发了钽涂层3D打印个性化骨盆重建假体、钽涂层3D打印个性化膝关节假体等一系列钽金属促成骨活性骨科医疗器械，并对钽涂层3D打印个性化骨盆重建假体进行了临床试验。上海九院及合作单位的科研团队将继续深耕技术创新，推动我国生物医用材料领域的持续发展。随着这一项目的实施，钽金属植入物的临床应用前景愈加广阔，骨科治疗将迎来更加高效、安全的新时代。

来源：上海九院郝永强教教授团队

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

天然骨骼具有重要的特性，包括强大的变形恢复能力以及在身体不同部位具有不同的机械和传质特性，以确保其满足日常功能需求。当使用金属支架作为部分植入物来治疗局部骨质流失时，它们必须与植入部位的天然骨骼的这些特性紧密匹配。因此，理想的支架应该兼具高度的变形恢复能力，以及在机械和传质特性方面具有广泛的可调控性（即在很宽的范围内可调）。

天然骨骼可以通过变形来耗散冲击能量，并在卸载后恢复到原始状态，其最大可恢复应变为2%至4%。传统金属支架由于弹性应变有限（<1%），从而导致治疗效果受损、植入物潜在失败以及用户生活质量下降等问题。相比之下，超弹性NiTi合金由于奥氏体(B2)和马氏体(B19′)相之间的可逆相变，表现出显著的超过4%的可恢复应变。这种超弹性为NiTi合金在支架应用中提供了显著优势。
骨骼特性存在显著的区域差异，极限抗压强度相差超过100 MPa，弹性模量(E)相差两个数量级，渗透性(K)相差十倍。虽然NiTi支架很有前景，但将足够的超弹性与这些可调特性相结合却极具挑战性。超弹性和机械性能之间显然需要权衡。具体而言，一些NiTi支架的可恢复应变超过4%，但其压缩应力仅在5MPa至15MPa之间。虽然后热处理有时可以改善超弹性，但它们同时会引起氧化并增加工艺复杂性。此外，之前的研究主要集中在不锈钢和钛支架的传质性能上，而NiTi支架受到的关注较少。

因此，研制具有可调力学和传质性能的超弹性NiTi支架至关重要且刻不容缓。本研究采用激光粉末床熔合（LPBF）构建了具有分级微观结构和螺旋片宏观结构的稳定B2相。这种创新的结构设计显著促进了马氏体相变，实现了显著的超弹性，可恢复应变超过4%。此外，通过调整体积分数（Vf）和晶胞尺寸（a），有效地调节了力学和传质性能，同时不影响超弹性。在骨植入物需求急剧增长的背景下，预计到2030年市场价值将达到642.7亿美元，具有灵活性能调节空间的超弹性NiTi支架明显优于现有同类产品，有效满足了骨植入物对高性能支架的需求。此外，这项研究为其他需要集成变形恢复、结构支撑和质量转移功能的超材料的领域提供了宝贵的见解。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

 成果速览

天然骨骼具有较大的可恢复应变为2%至4%，且在不同身体部位其机械和质量传递特性各有不同。整合这些特性对于用于骨缺损治疗的金属支架的功能性和治疗效果至关重要。

本研究提出一种创新的超弹性镍钛(NiTi)支架，其最大可恢复应变高达6%至7%，且弹性模量、循环应力、抗压强度、比阻尼能力和渗透性具有广泛的可调性。这些令人印象深刻的性能集成归功于精心设计的结构，该结构具有稳定的奥氏体相、分级微观结构和螺旋片宏观结构。

物理实验和计算机模拟表明，这种独特的结构组合促进了变形过程中的马氏体相变，并允许在不影响超弹性的情况下调整机械和质量传递特性。变形可恢复和性能可调的NiTi支架比传统支架更具适应性，为各种骨植入需求提供了多功能解决方案。

除了支架应用之外，这项研究还为开发适用于其他领域的先进多功能超材料提供了宝贵的见解。

吕坚院士团队将此工作以「Superelastic NiTi scaffolds with extensively tuneable mechanical and mass transfer properties」为题发表于International Journal of Extreme Manufacturing。

 图文解析

图1. 用于制备具有可调机械和传质性能的超弹性NiTi支架，用于骨植入物。(a)天然骨骼的最大可恢复应变为2%至4%。(b)NiTi合金表现出超弹性；传统合金仅表现出有限的弹性。(c)身体不同部位的天然骨骼的多种特性：弹性模量 ( E )、极限抗压强度(σUCS)和渗透性(K)。(d)采用激光粉末床熔合(LPBF)来制造 NiTi 支架。（e）构建了具有分级微观结构和螺旋片状拓扑结构的稳定B2相，以实现目标性能。通过调整体积分数和晶胞尺寸来调节其机械性能和传质性能。

图2. NiTi支架的微观结构。
图3. NiTi支架的宏观结构。
图4. NiTi支架的变形恢复性。
图5. NiTi 支架超弹性比较。
图6. NiTi支架的可调机械性能。
图7. NiTi支架与先前研究中合金的比较。
图8. NiTi支架的传质性能。

 总结展望

本研究介绍了一种创新型镍钛合金支架，其集卓越的超弹性和高度可调的机械及传质特性于一体。我们的支架拥有高达6%至7%的最大可恢复应变，超越了传统支架，并有效满足了天然骨骼的变形需求(4%)。这种卓越的超弹性源于通过多尺度优化增强的马氏体相变，这包括(1)稳定B2相并用分级微结构取代粗柱状晶粒，以及(2)采用高效的片状拓扑结构取代常用的支柱拓扑结构。

此外，通过调整体积分数和晶胞尺寸，我们在这些超弹性NiTi支架中实现了广泛的关键特性，包括弹性模量（800–3500 MPa）、循环应力（30-150 MPa）。这种灵活的性能组合使我们的NiTi支架能够出色地适应骨植入物的多样化性能要求。

基于这些进展，系统地评估体外生物相容性和体内成骨潜力，以及进一步研究在机械、流体和生物因素联合影响下支架的稳定性，对于推进临床转化至关重要。除了医疗应用外，经过适当改进的支架还具有广泛的应用潜力，包括流体催化剂载体、航空航天飞行器的结构承重以及智能建筑的减振。

这项研究为开发集变形恢复、结构支撑和传质功能于一体的先进多功能超材料提供了宝贵的见解，为未来的创新和跨学科合作铺平了道路。

原文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/adf01e

来源
材料设计 l

if&gt;20吕坚院士：3D打印超弹性NiTi合金支架，推动骨植入需求

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

3D科学谷洞察

” 当全球每年超过300万例全膝关节置换术（TKA）中的四分之一仍因骨水泥失败而面临翻修时，医学界正在寻找一种“更自然”的固定方式——让假体与骨真正长在一起。非骨水泥生物型TKA由此应运而生：它摒弃骨水泥，转而利用骨自身的修复能力完成生物学固定，既减少了骨水泥毒性、热损伤和晚期松动等并发症，又为患者，尤其是活动量高、寿命长的群体，提供了更耐久、更安全的解决方案。嘉思特生物型膝关节假体系统的获批上市，使这一理念在中国首次实现规模化落地，标志着我国膝关节置换手术正式迈入“生物固定”时代。”

国家创新医疗器械特别审批通道（“创新通道”）是国家药监局为加快具有显著临床价值的医疗器械上市而设立的审评程序。截至目前，通道共批准百余项创新产品，其中骨科植入物 37 项，嘉思特“生物型膝关节假体系统”为其中之一。

非骨水泥型全膝关节置换术（TKA）凭借促进骨长入、减少骨水泥相关并发症的优势，临床应用比例持续上升。美国关节置换登记处（AJRR）2023 年报告显示，其在美占比已突破 20%。

嘉思特围绕这一临床需求，开发了生物型膝关节假体系统，为国内患者提供了新的非骨水泥固定选择。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

 3D打印助力创新

l 嘉思特产品技术特点

1. 3D 打印分区骨小梁结构

采用电子束熔融（EBM）工艺，在胫骨托与股骨髁表面构建梯度孔隙（平均孔隙率 65%），旨在提高早期骨整合并分散界面应力。

2. 自加压机械稳定结构

假体边缘设计刺入爪，在植入时通过轴向加压增加初始稳定性。

3. 避免骨水泥相关风险

无需骨水泥，可减少骨水泥毒性、热损伤及过敏反应风险。

l 临床试验结果

该产品术后HSS评分优良率高达95.3%，术后7天假体植入效果优良率达到100%；术后5年随访显示假体在位率为100%，影像学检查均提示假体对位良好，无松动、无骨溶解发生，长期稳定性显著。

本次临床试验共纳入有效病例124例，由四川大学华西医院、北京大学第三医院、山东大学齐鲁医院、河北医科大学第三医院、河北沧州中西医结合医院等多家权威医院及临床研究中心联合开展，试验过程科学严谨，临床数据真实可靠。

生物型膝关节假体系统获评国家级创新医疗器械，具备无骨水泥并发症的安全优势，融合国内首创、全球领先的3D打印技术、分区骨小梁技术、自加压机械稳定技术三大核心创新，实现生物型表面假体设计，全面引领技术革新。

▲术后跟踪

l  知识产权与学术成果

产品已申请 PCT 专利 2 项、美国发明专利 1 项、欧洲发明专利 2 项、日本发明专利 2 项、中国发明专利 5 项；在国内外期刊发表论文 5 篇，其中 SCI 收录 1 篇。项目获天津市科技进步二等奖，并入选天津市科技重大专项。

嘉思特医疗

嘉思特医疗深耕关节阶梯治疗，已形成再生修复、部分关节置换、髋/膝关节重建、新界面假体及 AI 数字化六大产品线，致力于为患者提供安全、有效的关节解决方案。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

 研究背景

血管对于营养物质和氧气的输送和废物的清除至关重要。具有功能性血管网络的骨修复材料被广泛应用于骨组织工程中。增材制造是一种将物质逐层堆叠生成三维固体的制造技术，主要包括但不限于3D打印，也包括4D打印、5D打印和6D打印。它可以通过精确调整智能血管的力学结构和生物学特性，实现血管化来满足组织的需要。

 本文亮点

1. 对骨组织修复的血管化增材制造支架进行了全面和系统的讨论。
2. 讨论了血管的发展机制以及骨组织工程与血管的关系。
3.血管化附加制造的支架在组织修复中的问题、机会和挑战。

 内容简介

智能血管网络的修复材料被广泛应用于组织工程中。上海交通大学瑞金医院崔文国等系统地从新生血管发生发展到骨组织工程，讨论了血管化对组织的重要性。此外，重点介绍了血管化3D打印支架的研究进展和未来前景，将其分为了四类：功能性血管化3D打印支架、基于细胞的血管化3D打印支架、特殊载体的血管化3D打印支架和仿生血管化3D打印支架。最后，简要回顾了血管化3D组织工程在心血管系统、骨骼肌、软组织等相关组织中的应用，并讨论了智能血管化组织所带来的挑战和机遇。

 图文导读

I组织修复与重建中的血管化研究

本文以骨组织为例，简要探讨了血管化对组织的重要性：新生血管化和发育、组织中的特殊血管网络、血管化和组织修复、血管化和组织工程以及骨组织细胞的血管化及生化微环境。

图1.骨组织中血管的形成和功能。a血管生成和血管生成。有两种不同的血管形成机制。在胚胎发生期间，血管形成过程中产生原始血管丛。在肿瘤和缺氧条件的刺激下，血管生成重塑和扩大了血管网络；b与骨内血管相关的血管周围细胞。较大的动脉被H型毛细血管的平滑肌细胞所覆盖，而间充质细胞分布在正弦型l型血管上；c膜内血管生成的图示。间充质细胞浓缩形成海绵状结构，并分化成骨祖细胞和成骨细胞。

II 3D打印技术与材料

图2. 3D打印的技术。挤出式打印(a)、基于挤压的打印(b)和激光辅助打印(c)复合材料(d)天然材料(e)无机材料(f)和有机材料(g)。

III功能化的3D打印支架促进组织血管化

血管网络的建立在骨生长和骨再生中起着重要作用。虽然3D打印支架的多孔结构对骨修复有积极的影响，但表面活性基团的缺乏降低了支架血管化的能力，从而阻碍了整个骨修复过程。引入生物活性基团是一种有效的方法，使惰性表面具有理想的生物特性。研究人员一直在通过物理掺杂和化学方法在压片上修饰活性基团，以赋予3D打印支架血管化能力。到目前为止，所报道的功能化方法包括金属、活性药物、蛋白质或多肽和生长因子。

图3. 基于金属和药物修饰的血管化3D打印网络的方法。a 一个金属离子在3D打印支架上的修饰示意图；b 样品的制备工艺和扫描电镜示意图。c、d 金属离子的光学图像和释放实验；e 3D打印PCL的示意图及其在骨缺损模型中骨再生的生物学功能；f 对骨缺损部位内形成的新血管进行CT扫描后的x线及重建的图片；g 双钙黄绿素标记的新形成骨的组织学。

图4. 通过多肽和生长因子嫁接的表面功能化。a 纳米涂层改性三维打印制备过程和纳米涂层生长因子的释放的示意图；b 纳米涂层在2周内释放大量蛋白质；c 3D打印支架上的hMSCs和HUVECs的荧光图像。

IV 特殊载体负载的3D打印支架促进骨组织血管化

成骨过程是与血管化紧密偶联的，但如何在3D打印支架中做到有效彻底的血管化是近期研究的重点。目前研究最多是将可血管化的活性小分子物质通过合适的载体与3D打印支架进行结合，达到一个持续稳定的控释效果，使得支架获得血管化能力。常用的活性小分子包括：药物(DFO、辛伐他汀)、生长因子(VEGF)等。我们常用得载体大致可分为三类，分别是水凝胶、微球、纳米颗粒(脂质体、外泌体)。

图5. 特殊载体的3D打印支架。a 设计一个受“莲蓬”启发的内部血管化3D打印生物陶瓷支架的示意图，具有内部血管化和成骨功能；b GelMA微球的荧光显微镜图像；c 体外释放模式；d 通过DLS表征脂质体颗粒；e 双钙黄绿素标记及定量结果；f 血管生成和骨生成相关基因的免疫荧光染色；g 工程外泌体增强成骨和血管生成的示意图；h 透射电镜图像和i 外泌体的蛋白质标记物。

V细胞修饰的3D打印支架促进骨组织血管化

理想的骨支架材料除了需具备良好的生物相容性、生物活性、生物可解性及机械支撑作用外，还需满足血管和骨长入的条件。构建具有生物活性的能快速被血管化的组织工程支架，支架材料和种子细胞必不可少。在骨组织工程中，最广泛被用来诱导血管化成骨的细胞是间充质干细胞和内皮细胞。间充质干细胞的主要来源有骨髓、脂肪组织、脐带、胎盘等。在这里我们着重介绍BMSCs，它的生物学特性主要包括成骨分化、再生潜能和定向迁移能力，可产生相应的生长因子及细胞因子促进骨损伤的修复。内皮细胞是血管形成过程中必不可少的细胞。在骨组织工程中由于内皮细胞的存在，3D打印支架可以迅速的形成血管网络，并与宿主循环系统相结合，为缺损部位提供营养，快速转运代谢废物，加快骨修复。根据3D打印墨水的成分主要分为三类，分别为“细胞”修饰的3D打印支架、复合细胞墨水的3D打印支架和“基因”修饰细胞墨水的3D打印支架。

图6. 基于细胞和基因的生物活性3D打印血管网络。a 基于细胞的生物墨水打印过程和微观结构图像的示意图；b 含有人脐带间充质干细胞(HUMSC)的修复性水凝胶血管皮瓣的制备示意图；c 活死染色观察水凝胶支架的出芽；d，e 共聚焦显微镜图像追踪水凝胶微管随时间的变化。白色三角形箭头表示尖端细胞。

VI仿生的3D打印支架促进骨组织血管化

图7. 结构仿生的3D打印。a 一种具有独特的核-壳复合结构的中央血管化组织工程骨移植物的实验设计；b 植入细胞的3D打印支架粘附；c 在兔股骨缺损模型中，通过增强显微CT成像评价不同类型股骨的新生血管形成；d 实验设计示意图；e 支架顶部、中、底部的后向散射扫描电镜轴向切片，具有高倍放大区域。

图8. 结构仿生的3D打印。a 莲藕微观结构的功能图式及莲藕样仿生材料在组织再生中的应用；b 仿生骨的组织学切片的荧光图像以及新形成的骨组织的显微CT分析；c 哈弗氏仿生支架的生物打印过程；d 哈弗氏仿生支架的组织学研究，以评估血管生成和成骨特性。

VII4D打印的血管化支架

图9 4D打印血管化支架在组织工程中的应用示意图。a 一种自折叠水凝胶基(细胞装载)管的四维生物制造方案；b 自折叠水凝胶管(充满细胞)的响应性；c 培养1d的(左柱)、2d(中柱)和7d(右柱)后细胞负载管的代表性荧光显微镜图像；d 碱性磷酸酶和凝血酶4D活性；e 四维物体的顺序催化活性导致纤维沉积和钙化

VIII血管化增材制造支架在其他组织工程领域的应用

图10 血管化增材制造-支架在相关领域的应用示意图。a 一种具有独特的4D自变形能力的心脏贴片；b 3D打印骨骼肌的仿生肌纤维结构；c 血管化软组织；d 产氧的血管化3D打印支架；e 患者特殊主动脉根部模型，内部传感器；f 内皮化血管床。

作者简介

崔文国
本文通讯作者
上海交大医学院附属瑞金医院 教授

▍主要研究领域
主要从事骨、关节等再生医学材料研究，并促进临床转化。

▍主要研究成果
教授、博导，上海交大医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所。主要从事骨、关节等再生医学材料研究，并促进临床转化，发表系列论文，H=75，引用1.8万余次，专利70项（转化13项）、主编Elsevier/Wiley书2本等。入选全球高被引学者、ESI高被引论文、全球前2%顶尖科学家（排名前0.5%）、英国皇家化学学会会士（FRSC）、中国生物材料学会理事（FCSB）、教育部高等学校科学研究优秀成果奖和上海市科技进步一等奖、全国转化医学创新奖等。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发课题、国家级人才项目、上海市优秀学代等项目。

▍Email：wgcui80@hotmail.com

撰稿：原文作者

纳微快报

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。

来源
纳微快报 l

上海交大瑞金医院崔文国等综述： 3D/4D/5D/6D打印支架促进血管化的进展和展望

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

3D科学谷洞察

“AM增材制造技术可精准构建多孔支架、拓扑优化结构（如Gyroid晶格），匹配骨缺损的力学与生物学需求，传统加工方法难以实现。锌基材料兼具适中的降解速率（介于镁与铁之间）、良好的生物相容性及优异的力学性能，解决了传统可降解金属（如镁过快降解、铁过慢降解）的临床痛点。重庆大学-同济大学-北京大学的这项研究揭示了增材制造（AM）技术对锌基材料成分-微观结构-性能的调控机制，为可降解金属的复杂结构制造提供了理论支撑。”

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。

来源
稀有金属 l

Rare Metals 重庆大学王贵学/同济大学张海军/北京大学郑玉峰：增材制造锌基生物材料的研究进展

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

随着科技的飞速发展，人们对电磁波的使用已经达到了前所未有的高度和广度，带来技术革新和生活便利的同时，也带来了危害和危险。电磁污染威胁健康；国防领域，在雷达探测重压之下战场武器装备的生存能力面临重大挑战，如何高效吸收电磁波成为摆在科技人员面前的难题。而在自然界，经过上亿年的自然选择，动植物中早已涌现除了许许多多的电磁波收集专家，它们独特结构带来的超凡吸波能力，为人工设计新型吸波材料提供了宝贵的蓝本。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

近日，中北大学王智教授、尹丽仙讲师团队联合西安交通大学田小永教授团队，受螺旋藻特殊微结构启发，提出了一种三维螺旋形态的介电超材料结构，此结构具有区别于以往电磁吸波超材料的独特电磁响应机制。该研究取得了以下方面的突破。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

1）超宽带吸收：在2-40GHz频段内，实现了 33.7 GHz (3.5–5.1 GHz，7.9–40 GHz, RL<-10 dB)；

2）多损耗机制协同：材料损耗（极化损耗、导电损耗）与结构损耗（感应电流、电谐振、磁谐振、驻波效应）协同，实现了电磁波高效吸收；

3）利用材料共混改性与3D打印一体化成形工艺，突破了螺旋形微波吸收结构加工局限性，为高性能隐身材料结构制造提供了有效策略。

图1 仿生设计理念示意图
图2 螺旋超材料的几何结构
图3 螺旋超材料结构参数与吸波性能
图4 多机制协同吸波原理

相关研究成果以题为“A Bioinspired Helical Metamaterial for Broadband Electromagnetic Wave Absorption”发表在知名期刊Composite Part B-Engineering上。尹丽仙为论文第一作者，王智与尹丽仙为共同通讯作者。

以上成果受到山西省基础研究计划项目（项目编号：202103021223206)和中国航空科学基金（项目编号：202400110U0001)的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112685

来源
高分子科技 l

中北大学王智/尹丽仙、西安交大田小永 Compos. Part B：3D打印超材料新成果-仿生超材料结构设计、制备及机理研究

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷