大尺寸骨缺损修复长期面临一个核心难题：支架材料往往很难同时兼顾足够的力学支撑能力与优异的生物活性。现有的仿生骨修复材料虽然具备一定促再生潜力，但由于多级结构不足、孔隙率较高或矿物相不稳定，常常难以满足大尺寸缺损修复对强度、韧性和长期成骨性能的综合要求。螳螂虾附肢中的“马鞍”结构因其外层高矿化、内层富有机相的梯度层状构型，兼具高强度、高韧性和抗冲击能力，为高性能骨修复支架设计提供了重要启发。与此同时，非晶磷酸钙（ACP）作为天然矿化前驱体，具有较高溶解活性和骨亲和性；Zn²⁺又可进一步促进血管生成和骨再生。因此，如何将“结构仿生”，“成分仿生”和“功能仿生”整合到同一骨修复支架中，成为该研究试图解决的关键问题。
近期，中国科学院金属研究所仿生医用材料课题组张兴研究员团队联合解放军总医院骨科医学部唐佩福院士、李明教授团队在骨修复仿生支架设计方面取得新进展。研究人员以螳螂虾马鞍结构为原型，采用双向冷冻铸造、慢速离心自组装和热压致密化相结合的方法，构建出一种三重仿生的Zn²⁺掺杂非晶磷酸钙/几丁质支架（ACZP/CT）。该支架形成了高矿化致密外层结合有机质层状纤维内层的梯度结构；其中ACZP由约1-2 nm纳米团簇构成，进一步组装成约25 nm颗粒和约250 nm团聚体。通过60℃热压工艺，支架成功保持了非晶矿物相；热重分析显示，支架外层矿物含量约为62.02%，内层约为21.39%，体现出明显的梯度矿化特征。在力学性能方面，该仿生支架表现出明显优势。其弯曲强度约为160.09 MPa，断裂韧性最高可达10.08 MPa·m1/2，明显优于对照组，显示出良好的承载骨修复潜力。研究进一步发现，这种优异韧性并非来自单一增强，而是源于梯度层间复杂裂纹扩展、纤维撕裂、矿物-纤维脱黏以及层间滑移等多重耗能机制的协同作用。在生物学方面，ACZP/CT支架能够持续释放Ca²⁺和Zn²⁺，显著促进成骨细胞分化和内皮细胞血管化行为，同时上调多种成骨和促血管生成相关基因。动物实验进一步证实，该支架在大鼠颅骨缺损模型中表现出优异修复能力，植入6个月后骨体积分数（BV/TV）达到68.39%，显示出良好的骨再生效果。RNA测序结果表明，该支架可协同激活PI3K-Akt、MAPK和HIF-1等关键信号通路，从而促进血管生成与成骨耦合。
综上，该研究构建的ACZP/CT支架通过“结构-成分-功能”三重仿生设计，有效解决了骨修复材料中高力学支撑与高生物活性难以兼得的问题，为骨缺损修复提供了具有临床转化潜力的新策略。该工作发表于Bioactive Materials，题为“Mantis shrimp saddle-mimetic amorphous calcium (zinc) phosphate/chitin scaffolds with superior mechanical properties and bioactivity for bone regeneration”。赵紫濠博士生与高建朋博士后为本文章共同第一作者，李明教授与张兴研究员为共同通讯作者。
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DOI：10.1016/j.bioactmat.2026.02.001
图文导读
图1 天然螳螂虾“马鞍”结构与仿生ACZP/CT支架的结构对比
图2 仿生ACZP/CT支架制备过程及相组成、微观结构表征
图3 仿生ACZP/CT支架的力学性能分析
图4 仿生ACZP/CT支架裂纹扩展路径与增韧机制分析
图5 不同支架体外促成骨能力评价
图6 不同支架体外促血管生成能力评价
图7 大鼠颅骨缺损模型中不同支架的骨修复效果评价
图8 ACZP/CT支架血管生成-成骨耦合机制的RNA测序分析
