生物可降解锌基合金的研究进展.docx

摘要：

生物可降解金属材料由于其良好的机械性能、生物相容性和生物降解能力，已逐渐成为应用研究领域的热点。锌作为参与人体系统各项工作的元素之一，在新陈代谢中扮演着关键角色，具有适宜的降解速率，因此，在骨折固定、血管支架等领域展现出了良好的应用前景。本研究对可降解锌基合金的生理学优势和机械性能进行了总结，并对其耐腐蚀性能进行了体外研究与体内研究的综合分析。

生物可降解材料，通常是指应用于诊断与修复组织或器官等疾病治疗领域，对组织、器官及血液无副作用的一类功能材料。按照材料在生理环境中的生物化学反应水平分为惰性生物材料、活性生物材料、可降解生物材料。惰性生物材料具有良好的力学性能，但其植入体与周围组织只是简单的机械结合，无法形成出色的键合效果，长时间后植入体容易造成血栓致使植入手术失败。

活性生物材料是一类能在材料表面引发特定生物反应的材料，可以使组织可以与材料发生化学键合。然而，这些材料在长期使用过程中存在明显的机械强度下降的问题。随着医学组织工程学与材料科学的迅速发展，近年来，生物可降解材料因其具备的“可降解”能力而备受重视。

1

生物可降解金属材料的性能需求

镁元素是人体所需的重要微量元素，对于其在生物系统中的作用，学界已进行了广泛研究。虞佳雯在Mg中加入了Zn、Ca、Mn元素，通过8道次的ECAP变形后，通过在SBF溶液中浸泡腐蚀后，发现合金表面腐蚀类型为点蚀，镁合金的腐蚀类型取决于其微观结构，镁合金的第二相会加速微电偶腐蚀，导致其耐蚀性较低。

通过制备Fe-30Mn-0.6N合金，并将其植入动物体内，发现其可促进成骨细胞ALP和BMP-2的表达，同时体内生物的相容性较好。但铁基可降解合金的缓慢降解在许多临床应用中都受到了严格限制，铁基可降解支架的腐蚀速率不符合人体组织的生长周期，且产物有害，长期滞留体内容易造成组织分离。

锌基合金也需要从多个方向和角度对其进行评估，完善其性能研究的标准以推进其性能进步，在传统锌基合金机械性能研究的基础上，需要更着力于其可吸收性、生物相容性、微结构、腐蚀效率等方面的实验研究。

2

生物可降解锌基合金的优势

2.1生物可降解锌基合金的生理学优势

首先，Zn作为人体必备的微量元素之一，几乎参与了人体所有的新陈代谢过程，作为多种酶的组成元素，Zn对人的生长发育、神经系统、代谢系统，甚至DNA调节都有巨大的作用。Zn是调节DNA复制、转译过程和转录DNA聚合酶的必要组成部分。Zn强大的生物相容性及其对人体生理活动的重要参与是我们选择其作为生物可降解材料的重要原因。

2.2生物可降解锌基合金的机械性能优势

锌基合金的力学性能在锌合金的基础上进行改进后可以明显满足机械性能的需求，而且在防腐蚀方面会有更出色的表现。纯Zn本身的力学强度无法达到可降解生物医用合金材料的要求，因此纯Zn很难直接作为可降解生物医用材料，而合金化则可以明显完善其缺点。

2.3生物可降解锌基合金的耐腐蚀性能优势

锌基合金可以满足生物可降解材料耐腐蚀性能的设计要求。Zn的标准电极电位为-0.76V，介于Mg（-2.37V）和Fe（-0.44V）之间，可以为植入材料提供适宜的腐蚀速率。锌基合金的降解速率符合生理组织的修复速率，锌基合金的腐蚀速率介于镁合金和铁合金之间，这也是锌基合金可以充当生物可降解材料的优势之一。参考镁合金和铁合金的腐蚀模型对锌基合金的腐蚀机理进行研究，镁合金的生理环境腐蚀原理模型由郑玉峰提出，同理Zn的腐蚀机理与Mg的腐蚀机理存在异曲同工之妙，通过总结多个实验结构，Zn在生理环境中的腐蚀机理大致如图1所示。

初始产物继续与氯离子、磷酸氢根离子相和碳酸氢根离子相互作用：

3

?生物可降解锌基合金的降解行为研究

分析WE43和Zn-1Mg微观结构的差异，研究热挤压工艺对Zn-1Mg合金生物降解行为和力学性能的影响。挤压分析后晶粒度显著减小，浸泡试验发现，挤压后WE43和Zn-1Mg的腐蚀速率分别降低了35%和57%。热挤压后Zn-1Mg的典型晶粒细化效应表现为大的树枝晶转变为小的近等轴晶粒，宽的共晶混合物转变为了沿晶界偏析的小金属间化合物沉淀如图2所示。更重要的是，热挤压会使挤压WE43和Zn-1Mg合金的生物降解性能更加均匀。利用AFLOW和ICSD数据库收集Mg-Zn合金的中间相数据，利用第一性原理生成在水溶液环境中、富含Cl-环境中、298K环境和不同pH条件下Mg-Zn的布拜图（如图3所示）。研究发现，对于富锌合金，Mg2Zn11会先腐蚀。在富含锌的合金中，Mg（OH）2?会优选在碱性条件下沉淀，从而阻碍pH的增加并防止溶解的ZnO22+离子的释放。在含Cl-的溶液中，可溶性ZnCl2?可以通过降低腐蚀电位来减轻Zn基体的腐蚀。并可以提供对各种Mg-Zn合金降解行为的深入理解。生物可降解锌基材料的