2025年3月4日，北京大学第三医院骨科李危石教授团队在权威期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为“A metamaterial scaffold beyond modulus limits: enhanced osteogenesis and angiogenesis of critical bone defects”（超越模量极限的超材料支架：增强大段骨缺损的成骨和血管生成）的研究成果。

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研究团队发明了一种非线性超材料支架，突破传统的模量匹配范式，骨组织应变的生物力学适配原则，为临床骨修复材料的个性化设计提供了理论支撑，展现出解决临床难题的广阔前景。

随着我国人口老龄化问题日益严重，骨科疾病的发病率显著增加。骨科疾病的手术治疗通常需要使用金属骨植入物。然而，传统钛合金金属植入物的弹性模量（约110GPa）远高于天然骨组织（0.2-30GPa），易引发应力屏蔽效应。

通过3D打印制备多孔结构可以有效降低金属植入物的模量至骨组织区间，这种“模量适配”原则旨在为骨组织提供合适的应变，进而促进骨再生。然而，目前降低模量的技术路线往往是通过增加结构孔隙率实现，此时植入物强度随之骤减，难以满足人体承重需求。

力学超材料是一种通过人工设计的微结构实现特殊力学性能的新型材料体系，其核心特征在于通过几何结构而非材料成分实现自然界材料不具备的物理特性。基于此，研究团队发明了一种非线性超材料支架（TMS），实现承载过程中两阶段变形，从而解耦了强度和模量的物理限制。该支架的有效模量仅为13MPa，强度模量比超过1.3，突破了现有多孔金属骨植入物的理论极限。

动物体内植入结果表明，超材料植入物在0.5倍体重载荷下诱导了超过2%的骨痂应变，并且通过参数化设计，该应变可定量化调控。组织形态学分析显示，相比于“模量适配”原则设计的500MPa和13MPa多孔结构植入物，非线性超材料的矿化骨面积有效提升了44%和498%。超材料植入物超越了传统的模量匹配范式，优先考虑了骨组织应变的生物力学适配原则。

超材料支架力学性能与骨再生组织学分析

北医三院骨科是国内领先并具有一定国际影响力的国家级重点学科。自2009年开始就将3D打印技术应用于骨科植入物设计与研发，相继取得了我国第一张3D打印骨科植入物注册证、脊柱领域最早3D打印人工椎体与椎间融合器假体注册证。

李危石教授团队在钛合金骨植入物力学适配性优化领域开展了系列创新性研究，成功构建了基于3D打印技术的"结构-密度-强度"（Structure-Density-Strength, SDS）多级协同设计理论体系。本研究聚焦该理论框架下的生物力学适配机制，通过创新超材料结构设计，阐释金属植入物调控骨组织再生过程中的关键力学作用因素，为临床骨修复材料的个性化设计提供了重要理论支撑。

北京大学第三医院骨科新体制副研究员秦瑜和新体制副研究员景泽昊为共同第一作者。北京大学第三医院李危石教授、清华大学温鹏副教授、北京大学郑玉峰教授为共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等课题经费的支持。

共同第一作者

秦瑜

北京大学第三医院

骨科新体制副研究员、硕士生导师

主要研究方向：3D打印骨植入物结构设计、可降解锌金属骨植入物

景泽昊

北京大学第三医院

骨科新体制副研究员、主治医师

主要研究方向：金属骨植入材料的功能化研究

共同通讯作者

李危石

北京大学第三医院

骨科主任

主任医师、教授、博士生导师

主要研究方向：3D打印骨植入物、脊柱疾病机制与诊疗技术