港城大吕坚院士《BAM》 | 骨修复3D打印大马士革钛钽合金

| 3DScienceValley · 2026/06/15

谷专栏

钛合金是骨科植入物中使用最广泛的金属材料之一。人工关节、颅骨修复片、脊柱融合器等植入物都离不开它。原因并不难理解：钛合金强度高、耐腐蚀，进入体内后也相对稳定。

但稳定有时也是钛合金的短板。传统钛合金虽然生物相容性好，却很难主动诱导骨组织生长。它更像一个合格的支撑框架，能够提供力学支持，却不会主动向周围细胞发出“来这里长骨”的信号。因此，为了让骨组织更好地长到植入物表面，研究人员通常需要再做表面改性，比如涂层、刻蚀、药物负载或生物活性分子修饰。这些方法有效，但也带来额外问题：工艺更复杂，成本更高，涂层长期稳定性也需要反复验证。尤其是面对个性化、多孔、复杂结构的植入物时，如何让功能层均匀、稳定地覆盖在每一个细节表面，并不是一件容易的事。

那么，有没有可能让钛合金本身就具备生物活性？不是给钛合金植入物“穿一件功能外套”，而是让材料在制造过程中就自带功能。

来自香港城市大学吕坚院士团队的研究人员提出了一种新的思路：利用激光粉末床熔融增材制造技术，在钛钽合金内部原位构建类似“大马士革钢”的周期性成分图案。

通过简单氧化，即可在材料表面形成稳定、可调的周期性表面电位差，从而让植入物表面产生类似天然组织中的微弱电信号，进一步促进骨再生。

图1：L-PBF 3D打印的原位大马士革图案，在经过酸洗后即可看到经过定制的花纹。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2026.05.023

从大马士革钢到3D打印钛合金

大马士革钢因表面独特的花纹而闻名。传统大马士革花纹通常来自不同成分钢材的叠层、锻打和腐蚀显影，这种花纹背后其实是材料内部成分和组织的差异。本研究借用了这个思路，但没有采用传统锻造，而是使用激光粉末床熔融3D打印进行制造。

本研究使用医用Ti-6Al-4V ELI钛合金粉末与25%质量分数的钽粉混合打印。

钛和钽有一个很关键的差别：钛的熔点约为1725 ℃，钽的熔点则高达约3020 ℃。在激光快速熔化和凝固的过程中，钽并不会总是完全、均匀地进入钛基体。在很多制造场景中，这种不完全混合可能会被视为问题。但这里，研究人员没有急着消除它，而是选择利用它。通过调节激光打印参数，钽熔入钛基体的程度可以被控制。研究人员选取两组不同参数，再在同一个样品中交替打印这些区域。这样，材料内部就出现了周期性的成分差异的条带结构，经过腐蚀显影后，可以看到类似大马士革钢的条带图案。

在美观之上，这些条带真正的价值在于它们可以进一步转化为表面的电学功能。

钛钽合金表面周期电势差的构建

骨修复过程中，电信号也参与其中。天然骨组织在损伤和修复过程中会出现局部电学信号，这些信号能够影响细胞迁移、黏附和分化。

受这一点启发，研究人员希望在金属植入物表面构建一种稳定的、无需外接电源的微弱电信号。而大马士革图案提供了这个机会。

当不同钛/钽组成的条带经过简单氧化后，表面会形成含钛钽含量也不相同的氧化层。由于相邻区域的氧化物成份不同，表面电位也会出现差异。研究人员将这种周期性表面电位差称为P-SPD。

图2：具有P-SPD样品的构建。形状规则、表面平整的样品用于测定P-SPD、评价成骨机制。

通过KPFM测试可以看到，相邻条带之间形成了约48 mV的表面电位差。通过改变打印参数，这一数值还可以在约5.59–48.01 mV范围内调节。这个量级并不大，却恰恰接近许多天然组织和外源电刺激研究中涉及的生物电信号范围。依靠材料本身的成分设计和表面氧化层，植入体表面形成了一个微弱、周期性的电学微环境。细胞接触到这样的表面后，可能会感受到不同区域之间的电位差，并据此改变自己的铺展、迁移和分化行为。

图3：使用KPFM对氧化后的条带间电势差进行了测量。在氧化后不同成份条带表面的氧化膜颜色略有区别。

细胞实验：条带表面让细胞更活跃

为了观察这种P-SPD表面对细胞的影响，研究人员将骨髓间充质干细胞接种到不同样品表面，包括传统Ti64ELI、非条带钛钽合金样品，以及宽度为200 μm和400 μm的条带样品。结果显示，带有周期性条带的样品表现出更好的细胞响应。尤其是200 μm条带样品，细胞增殖更明显，细胞在表面的铺展状态也更积极。

图4：（A）体外研究的样本形式示意图。（B）将BMSCs接种于Ti64、Ti64Ta-L、Ti64Ta-H、400 μm条带和200 μm条带金属板表面24小时后的黏附和变形情况。（C）扫描电镜观察有/无周期性条带的金属板上细胞的变形形态。（D）BMSCs的增殖情况。（E）成骨诱导7天后，BMSCs在金属板上培养的ALP染色（上排）和ARS染色（下排）。（F）成骨诱导7天后，BMSCs（ALP、RUNX-2、COL-I和OPN）的相对mRNA表达水平。（G）成骨诱导14天后，不同组别接种BMSCs的细胞表面蛋白表达的Western blot分析。

成骨诱导实验进一步证明了这一点。ALP染色和茜素红染色结果显示，200 μm和400 μm条带样品均促进了早期成骨分化和矿化沉积。成骨相关基因，如ALP、RUNX-2、COL-I和OPN，也在条带样品上表现出更高表达。

结果说明，表面的周期性电位差影响了细胞行为。P-SPD可能为细胞提供了一种微弱但持续的界面信号。细胞贴附在材料表面后，不仅感受到粗糙度、亲水性和化学组成，也会受到局部电学环境的影响。对于骨髓间充质干细胞而言，这种环境有助于它们向成骨方向发展。

动物体内实验：促进颅骨缺损修复

研究人员进一步构建了大鼠颅骨缺损模型，将不同样品植入骨缺损区域，并在12周后通过Micro-CT和组织学染色评价新骨形成情况。结果显示，具有周期性大马士革图案的植入物周围形成了更多新生骨组织，骨修复效果显著优于传统Ti64ELI对照组。实验表明这种材料表面的微弱电学信号不仅能影响培养皿中的细胞，也能在更复杂的体内环境中发挥作用。

图5：大鼠颅骨缺损修复模型。(A) 打印植入物的加工流程及植入位置指示。(B) 植入组和阴性对照组12周后大鼠颅骨的微型CT重建图像。重建图像显示了植入物及其内部新形成的骨组织。(C) 骨体积/组织体积比(BV/TV)、骨小梁数量(Tb.N)和骨小梁间距(Tb.Sp)的定量分析。(D) 颅骨缺损植入物的硬组织切片及Van Gieson染色。中间一列中，矿化的新生骨组织以红色突出显示，而未矿化的组织以蓝色突出显示。

体内环境中存在蛋白吸附、体液离子、免疫反应和组织重塑等多重因素，单一表面信号很容易被削弱。如果P-SPD仍能在体内表现出促进骨修复的效果，说明这种“材料自带电学微环境”的设计有进一步研究和转化的价值。

机制探究：从膜电位到钙离子信号

研究进一步探讨了P-SPD影响细胞的可能机制。细胞膜本身存在电位差，钙离子、钠离子、钾离子等跨膜流动会影响细胞状态。对于骨相关细胞来说，钙离子信号尤其重要，它与细胞迁移、能量代谢、成骨分化和矿化过程密切相关。

通过全细胞膜片钳实验，研究人员发现，P-SPD表面可以调节骨髓间充质干细胞的静息膜电位，并增强钙离子通道相关活动。结合线粒体形态、细胞迁移实验和成骨相关蛋白表达结果，可以推测，P-SPD可能通过影响细胞膜电位和钙离子内流，进一步激活成骨分化与迁移相关通路。P-SPD为细胞提供了一个更接近骨修复环境的界面信号，让细胞更容易进入修复和分化状态。

图6：P-SPD诱导成骨作用的机制研究。(A) 全细胞膜片钳记录示意图，以及显示电极尖端在全细胞膜片钳测试过程中插入细胞膜的图像。(B) 静息膜电位(RMP)示意图和(C)统计图。(D) 输入电阻统计图，范围约为1 GΩ。(E) 阻断Na+和K+电流后Ca2+电流的激活曲线和统计图。(F) 通过STED观察阴性对照组和200 μm条纹组的细胞线粒体活性。(G) 通过细胞划痕愈合实验分别评估Ti64ELI、Ti64Ta、400 μm和200 μm条纹样品的细胞迁移能力。（H）采用WB法检测接种对样品表面BMSCs蛋白表达（Wnt3a、p-GSK3β、GSK3β/总GSK3β）的影响。（I）机制图展示了植入物表面P-SPD通过促进细胞迁移和分化来调节细胞行为。

研究工作的创新性

这项研究的特别之处，在于它没有把表面功能完全交给后处理涂层，而是把功能设计提前到了材料制造阶段。已有的金属植入物常常是先把结构做出来，再想办法改表面。而这里，研究人员通过L-PBF 3D打印过程中的原位成分调控，让材料内部形成可设计的钛合金大马士革图案，再通过简单氧化把这种成分差异转化为表面电位差。

这个设计的创新性在于:

把“不完全混合”从制造缺陷变成了功能来源。
让材料在保持低模量和高强度的同时，获得了内禀生物活性。
不依赖外接电源，也不需要复杂涂层。
与金属3D打印天然兼容，适合进一步用于个性化复杂植入物设计。

从材料科学角度看，这是结构、成分、电学和生物功能之间的一次整合。从骨科植入物角度看，它提供了一种让金属材料从被动支撑走向主动参与修复的可能路径。

未来，理想的骨植入物也许不只是填补缺损、承担载荷。该研究的材料设计并不局限于钛合金材料，可以通过采用其他金属的成份设计获得全新的功能，例如在修复的过程中同步降解，按计划分步降解等等。

论文引用

Hanyang Yu, Nan Hou, Subrahmanyam Pattamatta, Sien Lin, Shi-ting Chen, Weixi Wu, Fenghui Duan, Youneng Xie, Xuliang Chen, Yunchen Long, Gan Li, Yuhan Chen, Siyao Chen, Yicheng Han, Xiaojiao You, Zhuoyuan Li, Yu Chai, Gang Li, Jian Lu,

In-situ Damascus-patterning enables tunable surface electric fields for bioactive titanium implants,

Bioactive Materials,Volume 64,2026,Pages 900-914,ISSN 2452-199X,

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2026.05.023.