通过添加铝（Al）、锰（Mn）和铜（Cu）进行微合金化来提高高强度可生物降解锌镁（Zn-Mg）合金的延展性：体外评估

《Biomaterials Advances》：Improving the ductility of high-strength biodegradable Zn Mg alloys through Al, Mn, and Cu microalloying: in vitro evaluation

Zn-Mg合金通过添加Al、Mn、Cu微合金化提升延展性，强度保持率超过80%，降解速率接近理想值0.5mm/year，生物相容性测试显示细胞活性＞90%，血溶率＜5%，抗菌率＞85%。

　　

曹芳琳|李蕾|索玉松|刘亚恒|王向杰|杨阳|段京珠

教育部电磁加工材料重点实验室，东北大学，沈阳，110819，中国

摘要

由于具有优异的强度、生物相容性和降解性能，Zn-Mg合金成为骨科和心血管植入物的有前景的可降解材料。然而，其延展性常常受到脆性的Mg₂Zn₁₁金属间相的影响而受到影响。在本研究中，我们通过添加Al、Mn和Cu进行微合金化处理，提高了高强度Zn-Mg合金的延展性。我们设计了两种多元合金——Zn-0.05Mg-0.2Al-0.2Mn-0.2Cu（ZA-0.05Mg）和Zn-0.5Mg-0.2Al-0.2Mn-0.2Cu（ZA-0.5Mg），并将其与二元Zn-0.05Mg和Zn-0.5Mg合金进行了比较。微观结构分析表明，微合金化促进了新的Al₁₁Mn₄和Al₁₀MnZn₈₉相的形成，这些相有助于晶粒细化并促进位错积累。力学测试显示，ZA-0.05Mg合金表现出最平衡的力学性能，屈服强度（YS）为249±1.8 MPa，抗拉强度（UTS）为319±2.5 MPa，伸长率为50.8±2.0%——相比二元Zn-0.05Mg合金，延展性提高了31.2%，同时保持了更高的强度。微合金化还提高了硬度和耐磨性，表现为摩擦系数的降低和磨损损失的减少。腐蚀测试表明，引入的第二相略微加速了降解过程。ZA-0.05Mg合金的腐蚀速率为0.495 mm/年（电化学方法）和0.365 mm/年（浸泡方法），接近骨科植入物所需的理想值0.5 mm/年。体外生物相容性评估证实了其优异的细胞相容性、血液相容性（溶血率<5%）和强大的抗菌性能，即使添加了微量的Al也是如此。本研究为实现基于Zn-Mg的可降解合金的高强度和高延展性提供了理论和实验依据。

引言

可降解金属是一类设计用于在人体内逐渐降解的同时提供机械支撑的植入材料，其降解产物无毒且可代谢[1]。为了临床应用，这类合金必须同时满足生物安全性、足够的力学性能和可控的降解行为的要求[2],[3]。目前，主要的可降解合金系统包括基于Fe[4],[5]、Mg[6],[7]和Zn[8],[9]的合金。基于Fe的合金具有优异的机械强度，但其高弹性模量可能导致应力屏蔽，从而阻碍组织重塑。此外，它们过慢的降解速度可能导致腐蚀产物的积累和慢性炎症[5]。Mg是人体代谢中的必需元素，已被用于现已获得FDA批准的生物降解植入物中。然而，镁合金的快速腐蚀速率和氢气的产生限制了其更广泛的应用[7]。Zn的电极电位介于镁和铁之间，具有更平衡的降解速率[10]，使其成为下一代可降解植入物的有希望的候选材料。然而，纯Zn的较差力学性能限制了其实际应用[11]。

自Vojtech等人首次在2011年报道Zn-Mg二元合金在医疗应用中的潜力[12]以来，由于其良好的生物相容性、降解特性和机械性能[13],[14]，这一系统引起了越来越多的关注。研究表明，Mg²⁺可以减轻Zn²⁺的毒性并增强成骨活性[15]。此外，Mg的添加通过三种主要机制增强了Zn合金的强度：固溶强化、晶粒细化和Mg₂Zn₁₁金属间相的形成。然而，这种硬而脆的金属间相的存在往往导致延展性不足，无法满足许多植入物所需的最低20%的伸长率[16]。

在各种加工条件下，Zn-Mg合金的强度与延展性之间的权衡已被广泛观察到。Kubásek等人[17]报告称，在含有0.8–8.3% Mg的Zn-Mg合金中，当Mg含量超过1%（重量百分比）时，伸长率降至1%以下。对于挤压合金，Mostaed等人[18]研究了Zn-xMg（x=0.0, 0.15, 0.5, 1, 3%重量百分比）并注意到一个明显的反比关系：随着Mg含量的增加，强度上升，而延展率显著下降。同样，在热轧合金中，Liu等人[19]观察到，在Zn-xMg（x=0–0.8%重量百分比）中，当Mg含量超过约0.2%重量百分比时，进一步添加Mg会以牺牲延展率为代价提高强度。这些在不同加工路径下的一致趋势突显了脆性Mg₂Zn₁₁金属间相形成的固有挑战。

塑性变形[20],[21],[22]和合金化[23]是两种改善Zn-Mg合金力学性能的成熟方法。诸如静水挤压[20]、挤压-拉伸[21]和等通道角压（ECAP）[22]等加工技术已成功应用于细化微观结构和提高性能。Pachla等人[20]采用累积静水挤压技术在Zn-0.5Mg合金中制备了细晶结构，实现了515 MPa的抗拉强度（UTS）、375 MPa的屈服强度（YS）和35%的伸长率。Jin等人[21]通过挤压和拉伸制备了Zn-0.08Mg合金，其YS为449 MPa、UTS为498 MPa、伸长率为20%。Ji等人[22]结合使用ECAP和冷轧技术在Zn-0.6Mg合金中获得了301.2 MPa的YS、411.8 MPa的UTS和28.5%的伸长率。在我们之前的研究[24]中，通过热挤压后进行室温ECAP处理的Zn-0.1Mg-0.05Li合金实现了性能平衡，YS为349 MPa、UTS为457 MPa、伸长率为67.6%，满足了骨科植入物的力学要求。然而，这些方法通常需要专用设备和多步骤加工，这限制了它们的工业规模化应用。因此，显然需要开发简化的加工路线和合金设计，以实现Zn-Mg合金同时具备高强度和高延展性。

目前关于Zn-Mg合金系统的研究主要集中在三元组成上，但这些合金的整体机械性能提升仍然有限[25],[26]。我们之前的研究表明，添加Al、Mn和Cu显著提高了Zn合金的延展性[27]。这种增强的塑性主要来源于固溶溶质原子，它们促进了晶粒细化并在变形过程中激活了动态再结晶（DRX）。这些机制进一步促进了晶界滑移，显著提高了塑性变形能力。此外，Al和Mn的添加还导致了Al₁₁Mn₄和Al₁₀MnZn₈₉沉淀物的形成。在挤压过程中，这些第二相沿挤压方向（ED）排列和断裂，有效增强了强度。

此外，Mn和Cu对人体无毒，甚至表现出良好的生物相容性：Cu是一种必需的微量元素，支持神经和骨骼发育，并促进血管内皮细胞的增殖和血管生成[28],[29],[30]。Mn对骨骼修复有积极作用，研究表明口服Mn补充可以增加大鼠的骨密度和骨钙素水平[31],[32]。尽管Al常与神经毒性相关，但世界卫生组织（WHO）建议的每日可耐受摄入量为大约1 mg/千克体重，而中国营养学会设定的可耐受上限摄入量为0.7 mg/千克体重[33]。目前广泛使用的Mg合金，如AZ31、AZ91和LAE442，在体内显示出可接受的生物安全性，其可控的释放速率确保了Al浓度保持在生物可耐受范围内[33],[34],[35]。Wilberd等人[33]的组织学证据表明，在AZ31（含有3% Al）降解过程中，Al没有扩散到周围组织。Witte等人[34],[35]进一步证实了这些发现，报告称在缓慢降解过程中少量Al的逐渐释放仍保持在生物可耐受范围内。因此，将Al、Mn和Cu引入Zn-Mg合金有望同时提高延展性、保持强度，并提供适当的降解行为和生物相容性。

在本研究中，我们设计了两种多元合金——Zn-0.05Mg-0.2Al-0.2Mn-0.2Cu和Zn-0.5Mg-0.2Al-0.2Mn-0.2Cu，并将其与二元Zn-0.05Mg和Zn-0.5Mg基准合金进行了比较。经过均化和挤压后，系统地研究了这些合金的微观结构和力学性能。为了进一步评估它们作为可降解医疗材料的潜力，我们进行了体外腐蚀行为和生物相容性评估，包括细胞毒性、溶血和抗菌性能。总体而言，这项工作为开发具有良好平衡功能特性的先进Zn-Mg基可降解合金提供了新的见解和方法。

部分摘要

合金制备

除非另有说明，本研究中的所有合金组成均以重量百分比（wt%）表示。使用高纯度原材料制备了四种合金：Zn-0.05Mg、Zn-0.5Mg、Zn-0.05Mg-0.2Al-0.2Mn-0.2Cu（简称ZA-0.05Mg）和Zn-0.5Mg-0.2Al-0.2Mn-0.2Cu（简称ZA-0.5Mg）。起始材料包括纯Zn（99.995%）、纯Mg（99.994%）、纯Cu（99.99%）和实验室制备的Zn-10Mn母合金。熔化在感应炉中进行

微观结构

图2展示了挤压态Zn-0.5Mg和ZA-0.5Mg合金的XRD图谱，以及纯Zn的图谱作为参考。衍射峰清楚地证实了Zn基体的存在，以及Mg₂Zn₁₁和Al₁₁Mn₄金属间相的存在。然而，“Al₁₀MnZn₈₉”相在XRD图谱中未被检测到。这可能是由于其体积分数低和颗粒尺寸小于微米级，导致其衍射强度低于XRD仪器的检测限。

微观结构

铸造态Zn-0.05Mg、Zn-0.5Mg、ZA-0.05Mg和ZA-0.5Mg合金的微观结构演变显示出不同的凝固路径，这严重依赖于合金组成。如图22(a)和(b)所示，二元Zn-0.05Mg合金通过单相转变（L→Zn）凝固，而Zn-0.5Mg则发生额外的共晶反应（L→Zn+Mg₂Zn₁₁），在晶界处形成特征性的层状结构。添加Al和Mn后

结论

为了在保持强度的同时提高Zn-Mg合金的延展性，本研究引入了Al、Mn和Cu作为微合金化元素。为此，通过铸造、均化和挤压的组合工艺制备了四种合金（Zn-0.05Mg、Zn-0.5Mg、ZA-0.05Mg和ZA-0.5Mg）。对其微观结构、力学性能、腐蚀行为和体外生物安全性的系统研究得出了以下结论：

(1) 微合金化促进了新的第二相的形成

CRediT作者贡献声明

曹芳琳：撰写——初稿，研究，正式分析，数据管理。李蕾：撰写——审阅与编辑，验证，监督。索玉松：方法学，研究。刘亚恒：可视化，方法学。王向杰：资源，研究。杨阳：资源，方法学。段京珠：撰写——审阅与编辑，资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国辽宁省应用基础研究计划（项目编号：2023JH2/101300156）、国家自然科学基金（项目编号：51874092、52271094和U1708251）、国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3504401）以及辽宁省重点研发计划（项目编号：2020JH2/10700003）的支持。