生物可降解鋅基合金的研究進展

前言

生物可降解金屬材料由于其良好的機械性能、生物相容性和生物降解能力，已逐漸成為應用研究領(lǐng)域的熱點。鋅作為參與人體系統(tǒng)各項工作的元素之一，在新陳代謝中扮演著關(guān)鍵角色，具有適宜的降解速率，因此，在骨折固定、血管支架等領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應用前景。

本文對可降解鋅基合金的生理學優(yōu)勢和機械性能進行了總結(jié)，并對其耐腐蝕性能進行了體外研究與體內(nèi)研究的綜合分析。

生物可降解鋅基合金的優(yōu)勢

生物可降解鋅基合金的生理學優(yōu)勢首先，Zn作為人體必備的微量元素之一，幾乎

參與了人體所有的新陳代謝過程，作為多種酶的組成元素，Zn對人的生長發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)，甚至DNA調(diào)節(jié)都有巨大的作用。Zn是調(diào)節(jié)DNA復制、轉(zhuǎn)譯過程和轉(zhuǎn)錄DNA 聚合酶的必要組成部分。Zn 強大的生物相容性及其對人體生理活動的重要參與是我們選擇其作為生物可降解材料的重要原因。

生物可降解鋅基合金的機械性能優(yōu)勢

鋅基合金的力學性能在鋅合金的基礎(chǔ)上進行改進后可以明顯滿足機械性能的需求，而且在防腐蝕方面會有更出色的表現(xiàn)。純Zn本身的力學強度無法達到可降解生物醫(yī)用合金材料的要求，因此純Zn很難直接作為可降解生物醫(yī)用材料，而合金化則可以明顯完善其缺點。

生物可降解鋅基合金的耐腐蝕性能優(yōu)勢

鋅基合金可以滿足生物可降解材料耐腐蝕性能的設(shè)計要求。Zn 的標準電極電位為-0.76 V，介于Mg（-2.37 V）和Fe（-0.44 V）之間，可以為植入材料提供適宜的腐蝕速率。鋅基合金的降解速率符合生理組織的修復速率，鋅基合金的腐蝕速率介于鎂合金和鐵合金之間，這也是鋅基合金可以充當生物可降解材料的優(yōu)勢之一。參考鎂合金和鐵合金的腐蝕模型對鋅基合金的腐蝕機理進行研究，鎂合金的生理環(huán)境腐蝕原理模型由【鄭玉峰, 楊宏韜. 鋅基可降解金屬研究進展與展望［J］.天津理工大學學報, 2021, 37(1): 58-64.】提出，同理Zn的腐蝕機理與Mg 的腐蝕機理存在異曲同工之妙，通過總結(jié)多個實驗結(jié)構(gòu)，Zn 在生理環(huán)境中的腐蝕機理大致如圖1所示。

生物可降解鋅基合金的降解行為研究

分析WE43 和Zn-1Mg 微觀結(jié)構(gòu)的差異，研究熱擠壓工藝對Zn-1Mg 合金生物降解行為和力學性能的影響。擠壓分析后晶粒度顯著減小，浸泡試驗發(fā)現(xiàn)，擠壓后WE43和Zn-1Mg 的腐蝕速率分別降低了35%和57%。熱擠壓后Zn-1Mg 的典型晶粒細化效應表現(xiàn)為大的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉慕容S晶粒，寬的共晶混合物轉(zhuǎn)變?yōu)榱搜?/span>晶界偏析的小金屬間化合物沉淀如圖2所示。更重要的是，熱擠壓會使擠壓WE43和Zn-1Mg 合金的生物降解性能更加均勻。

利用AFLOW和ICSD 數(shù)據(jù)庫收集Mg-Zn 合金的中間相數(shù)據(jù)，利用第一性原理生成在水溶液環(huán)境中、富含Cl-環(huán)境中、298 K 環(huán)境和不同pH 條件下Mg-Zn 的布拜圖（如圖3所示）。

研究發(fā)現(xiàn)，對于富鋅合金，Mg2Zn11 會先腐蝕。在富含鋅的合金中，Mg（OH）2 會優(yōu)選在堿性條件下沉淀，從而阻礙pH 的增加并防止溶解的ZnO22+離子的釋放。在含Cl-的溶液中，可溶性ZnCl2 可以通過降低腐蝕電位來減輕Zn 基體的腐蝕。并可以提供對各種Mg-Zn 合金降解行為的深入理解。

結(jié)論

對于生物可降解鋅基合金的體外探索還停留在對某個領(lǐng)域或單一性能的測試上，需要做更多實驗對其進行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)可降解鋅基合金目前主要應用于血管支架、骨骼植入物等領(lǐng)域，更需要在血液、皮下環(huán)境下進行模擬實驗，揭示鋅基合金在各種組織下性能的退化，進一步驗證降解產(chǎn)物在環(huán)境下發(fā)生的物理化學反應和生物性變化，進一步達到可降解的目的。

產(chǎn)品推介

球形鋅銅合金粉

球形鋅銅合金粉末是一種具有良好生物相容性的可降解金屬材料，銅離子所具有的強烈和廣譜殺菌能力，相關(guān)動物實驗顯示，銅元素的加入，可以使植入物導致的感染發(fā)生率會大幅度降低。并且在材料性能方面起到了細化晶粒的作用，合金的綜合力學性能得到了提高（屈服強度，硬度，延伸率等）。與純鋅相比，鋅銅合金的耐腐蝕性能得到了提高。