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金屬離子團簇材料存在于人體骨骼、血液中，其可控的生物降解特性、生物相容性、生物活性，在骨缺損修復、口腔硬組織再生等方面展現出臨床治療潛力。而該類材料固有的熱力學亞穩態特征、自發晶化趨勢，以及尚不明確的生物學作用機制，制約其臨床應用。中國科學院金屬研究所此前提出了聚丙烯酸分子調控金屬磷酸鹽團簇熱穩定性及鋅摻雜非晶磷酸鈣（ACZP）團簇的骨免疫調節再生機制。近期，團隊依托已有成果，探究金屬離子團簇在大尺寸骨缺損修復中的生物功能，以解決該方面支架材料難以兼顧力學支撐與生物活性的難題。受螳螂蝦附肢中“馬鞍”外層高礦化、內層富有機相的梯度層狀結構啟發，該研究以ACZP為核心組裝活性單元，通過多級組裝策略，構建集“結構仿生”、“成分仿生”和“功能仿生”于一體的ACZP/幾丁質（ACZP/CT）骨修復支架。該支架形成了高礦化致密外層結合有機質層狀纖維內層的梯度結構。其中，尺寸為1-2nm的ACZP納米團簇能夠組裝成約250nm的團聚體。這一支架經60℃熱壓后，可以保持非晶相結構。熱重分析顯示，支架外層礦物含量約為62.02%，內層約為21.39%，體現出明顯梯度礦化特征。在力學性能方面，該仿生支架彎曲強度約為160.09MPa，斷裂韌性最高為10.08MPa·m1/2，顯示出優異的承載能力，這種優異韌性源于梯度層間復雜裂紋擴展、纖維撕裂、礦物—纖維脫黏以及層間滑移等多重耗能機制的協同作用。在生物學方面，ACZP/CT支架能夠通過持續釋放的Ca2+和Zn2+協同激活PI3K-Akt、MAPK和HIF-1等關鍵信號通路，促進成骨細胞分化、內皮細胞血管化及成骨耦合。動物實驗進一步證實，在大鼠顱骨缺損模型中，支架修復能力優異，植入6個月后新生骨體積分數為68.39%，骨再生成效顯著。這種基于ACZP金屬離子團簇作為組裝單元構建的“結構—成分—功能”仿生骨修復支架，兼具高強度、高韌性與高生物活性，為大尺寸骨缺損修復提供了具有臨床轉化潛力的新策略。相關研究成果發表在《生物活性材料》（Bioactive Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等的支持。論文鏈接天然螳螂蝦“馬鞍”結構與仿生ACZP/CT支架制備