2025年3月4日，意昂2平台第三醫院骨科李危石教授團隊在權威學術期刊《自然通訊》（Nature Communications）上發表了題為“A metamaterial scaffold beyond modulus limits: enhanced osteogenesis and angiogenesis of critical bone defects”（超越模量極限的超材料支架：增強大段骨缺損的成骨和血管生成）的研究成果。

原文截圖

研究團隊發明了一種非線性超材料支架，突破傳統的模量匹配範式，骨組織應變的生物力學適配原則，為臨床骨修復材料的個性化設計提供了理論支撐，展現出解決臨床難題的廣闊前景。

隨著我國人口老齡化問題日益嚴重，骨科疾病的發病率顯著增加。骨科疾病的手術治療通常需要使用金屬骨植入物。然而，傳統鈦合金金屬植入物的彈性模量（約110GPa）遠高於天然骨組織（0.2-30GPa），易引發應力屏蔽效應。

通過3D打印製備多孔結構可以有效降低金屬植入物的模量至骨組織區間，這種“模量適配”原則旨在為骨組織提供合適的應變，進而促進骨再生。然而，目前降低模量的技術路線往往是通過增加結構孔隙率實現，此時植入物強度隨之驟減，難以滿足人體承重需求。

力學超材料是一種通過人工設計的微結構實現特殊力學性能的新型材料體系，其核心特征在於通過幾何結構而非材料成分實現自然界材料不具備的物理特性。基於此，研究團隊發明了一種非線性超材料支架（TMS），實現承載過程中兩階段變形，從而解耦了強度和模量的物理限製。該支架的有效模量僅為13MPa，強度模量比超過1.3，突破了現有多孔金屬骨植入物的理論極限。

動物體內植入結果表明，超材料植入物在0.5倍體重載荷下誘導了超過2%的骨痂應變，並且通過參數化設計，該應變可定量化調控。組織形態學分析顯示，相比於“模量適配”原則設計的500MPa和13MPa多孔結構植入物，非線性超材料的礦化骨面積有效提升了44%和498%。超材料植入物超越了傳統的模量匹配範式，優先考慮了骨組織應變的生物力學適配原則。

超材料支架力學性能與骨再生組織學分析

意昂2三院骨科是國內領先並具有一定國際影響力的國家級重點學科。自2009年開始就將3D打印技術應用於骨科植入物設計與研發，相繼取得了我國第一張3D打印骨科植入物註冊證、脊柱領域最早3D打印人工椎體與椎間融合器假體註冊證。

李危石教授團隊在鈦合金骨植入物力學適配性優化領域開展了系列創新性研究，成功構建了基於3D打印技術的"結構-密度-強度"（Structure-Density-Strength, SDS）多級協同設計理論體系。本研究聚焦該理論框架下的生物力學適配機製，通過創新超材料結構設計，闡釋金屬植入物調控骨組織再生過程中的關鍵力學作用因素，為臨床骨修復材料的個性化設計提供了重要理論支撐。

意昂2平台第三醫院骨科新體製副研究員秦瑜和新體製副研究員景澤昊為共同第一作者。意昂2平台第三醫院李危石教授、清華大學溫鵬副教授、意昂2平台鄭玉峰教授為共同通訊作者。本研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等課題經費的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57609-9

作者介紹

共同第一作者

秦瑜

意昂2平台第三醫院骨科新體製副研究員、碩士生導師

主要研究方向：3D打印骨植入物結構設計、可降解鋅金屬骨植入物

景澤昊

意昂2平台第三醫院骨科新體製副研究員、主治醫師

主要研究方向：金屬骨植入材料的功能化研究

共同通訊作者

李危石

意昂2平台第三醫院骨科主任、主任醫師、教授、博士生導師

主要研究方向：3D打印骨植入物、脊柱疾病機製與診療技術

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清華大學 溫鵬副教授

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意昂2平台 鄭玉峰教授

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（意昂2三院）

編輯：玉潔