《Progress in Natural Science-Materials International》：Biodegradable behavior and mechanical performance of Mg-Zn alloys in acidic urinary environments relevant to renal tubular acidosis
编辑推荐：
镁锌合金在酸性尿液环境中的腐蚀与力学性能研究。通过系统评估不同锌含量Mg-Zn合金在人工尿液（pH5.7）中的腐蚀行为、降解性能及力学特性，发现Zn的添加显著提高合金硬度（较纯Mg提升235%）和抗拉强度（256%），同时抑制局部腐蚀，使降解模式趋于均匀可控。合金在30天降解后仍保持UTS≥148.9MPa和延伸率3.17%，验证其作为生物可吸收支架的潜力。
李毅|卢超|沈凯|吴霞|白敬源|刘志辉|蔡志辉|刘伟庆|熊春梅|阿纳斯塔西奥斯·帕帕盖奥吉欧|赵占勇|娜塔莉亚·鲍里索夫娜·莫罗佐娃|马克·斯塔格|蒂铁
中国大连交通大学教育部连续挤压工程研究中心，大连，116028
摘要
镁锌（Mg-Zn）合金因其固有的生物降解性而受到广泛关注，被视为理想的植入材料。本文评估了这些合金在肾小管酸中毒（RTA）所特有的酸性尿液环境中的性能。为此，我们在模拟RTA条件的人造尿液（pH 5.7）中研究了不同锌含量的Mg-xZn合金的腐蚀反应、降解性能和机械特性。与纯Mg相比，Mg-6Zn合金的硬度提高了2.35倍，极限抗拉强度（UTS）提高了2.58倍，显示出显著的机械增强效果。初步浸泡测试表明，随着锌含量的增加，腐蚀程度先降低后升高。30天后，尽管Mg-Zn合金的整体降解程度大于纯Mg，但其点蚀敏感性有所降低。此外，这些合金的UTS仍保持在148.9 MPa以上，伸长率为3.17%，证实了其在降解过程中的基本机械完整性。这些结果突显了Mg-Zn合金作为功能性生物降解材料的潜力，并为下一代镁基可吸收植入物的设计提供了依据。
引言
肾小管酸中毒（RTA）是一种慢性代谢疾病，其特征是尿液持续呈酸性、电解质失衡以及泌尿系统结构异常[[1], [2], [3]]。在某些情况下，可能需要使用泌尿支架来缓解阻塞、促进引流或恢复功能完整性[[4], [5], [6]]。然而，RTA特有的酸性尿液环境对植入材料的耐腐蚀性和机械稳定性提出了严峻挑战。因此，开发兼具可控降解性、机械完整性和增强耐腐蚀性的生物降解材料对于改善RTA患者的治疗效果至关重要。
镁（Mg）作为一种可吸收植入物的生物降解金属，因其良好的生物相容性、适宜的机械性能和固有的抗菌特性[[10], [11], [12]]而受到越来越多的关注。其低密度和与人体软组织相当的弹性模量使得Mg能够在体液中逐渐降解，从而可能减少后续手术移除传统植入物的需要[[13,14]]。然而，纯Mg在生理条件下，尤其是在酸性环境中，极易发生腐蚀，这可能导致组织完全愈合之前就发生机械失效[[15]]。向Mg合金中添加锌（Zn）——一种必需且生物安全的微量元素[[16], [17], [18]]——可以通过细化晶粒和形成第二相来提高其机械性能[[19]]。更重要的是，锌还能增强耐腐蚀性，并更好地控制酸性环境中的降解行为[[20], [21], [22]]。此外，锌还具有天然的抗菌和抗炎特性[[23], [24]]，有助于降低泌尿系统应用中的感染和结石形成风险。先前的研究表明，锌含量为1–3 wt%的Mg-Zn合金在模拟体液（SBF）和生理盐水中表现出更低的降解速率和更好的耐腐蚀稳定性[[25,26]]。然而，大多数研究集中在骨科应用[[27], [28], [29]]或一般生理环境中[[30], [31], [32]]，这些发现可能无法完全反映RTA的实际情况（RTA环境的离子强度较高，且含有尿酸盐和磷酸盐离子）。迄今为止，很少有研究系统地探讨Mg-Zn合金在酸性尿液条件下的性能。
本研究在模拟肾小管酸中毒患者尿液条件（pH 5.7）的人造尿液中，通过电化学测量、腐蚀测试、机械表征和微观结构分析，全面评估了不同锌含量（0、0.5、1和6质量%）的镁锌（Mg-Zn）合金的腐蚀行为和内在机械性能。主要目的是评估Mg-Zn合金作为可降解支架材料在复杂泌尿环境中的适用性，并为其在泌尿植入物中的应用提供基础数据。
材料与生理液体
Mg-Zn合金由纯镁和锌金属合成。熔炼过程在750 °C下进行，采用低碳钢坩埚，并在保护性CO2/SF6气氛中进行。按照指定比例加入锌（0.5、1和6质量%），熔体经过机械搅拌并在750 °C下保持10分钟以确保成分均匀，期间定期去除表面浮渣。随后将合金浇铸到预热至250 °C的模具中。
模拟的人造尿液
微观结构表征
根据Mg-xZn二元相图[34]，室温下锌在镁中的平衡固溶度约为2 wt%（0.74 at.%）。因此，当锌含量低于此阈值时，锌主要以固溶态存在于α-Mg基体中，不会形成第二相。如图1所示，锌含量低于1 wt%的铸态Mg-xZn合金中未检测到金属间化合物。随着锌浓度的增加，
结论
本研究阐明了锌含量对Mg-xZn合金在酸性人造尿液中的降解行为、腐蚀敏感性和机械性能保持性的关键影响。结果表明，锌的加入有效调节了腐蚀的均匀性，将纯Mg典型的局部腐蚀转变为更稳定、均匀的降解模式，从而提高了降解过程的可控性。尽管Mg-Zn合金的整体降解速率有所加快，
作者贡献声明
李毅：撰写初稿、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、数据分析。卢超：实验研究、数据管理。沈凯：项目统筹、方法论设计。吴霞：数据分析。白敬源：数据可视化、实验研究。刘志辉：数据管理。蔡志辉：方法论设计。刘伟庆：数据管理。熊春梅：数据管理。阿纳斯塔西奥斯·帕帕盖奥吉欧：实验研究、数据分析。赵占勇：数据可视化、验证。
声明与义务
所有作者声明与本文讨论的主题或材料无关，也未参与任何可能对其产生财务或非财务影响的组织或实体。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52171235、5241102867、52111540263）、广东省科技计划（2025ZDZX2028）、新疆科技计划（2025E01044）、阳江人才振兴计划（RCZX2023004）以及广东海洋大学（YJR24003）的支持。
