生物可降解鋅基合金的研究進(jìn)展

前言

生物可降解金屬材料由于其良好的機(jī)械性能、生物相容性和生物降解能力，已逐漸成為應(yīng)用研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。鋅作為參與人體系統(tǒng)各項(xiàng)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(yīng)用前景。

本文對(duì)可降解鋅基合金的生理學(xué)優(yōu)勢(shì)和機(jī)械性能進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其耐腐蝕性能進(jìn)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(shì)

生物可降解鋅基合金的生理學(xué)優(yōu)勢(shì)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(guò)程，作為多種酶的組成元素，Zn對(duì)人的生長(zhǎng)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(fù)制、轉(zhuǎn)譯過(guò)程和轉(zhuǎn)錄DNA 聚合酶的必要組成部分。Zn 強(qiáng)大的生物相容性及其對(duì)人體生理活動(dòng)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(jī)械性能優(yōu)勢(shì)

鋅基合金的力學(xué)性能在鋅合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后可以明顯滿足機(jī)械性能的需求，而且在防腐蝕方面會(huì)有更出色的表現(xiàn)。純Zn本身的力學(xué)強(qiáng)度無(wú)法達(dá)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(diǎn)。

生物可降解鋅基合金的耐腐蝕性能優(yōu)勢(shì)

鋅基合金可以滿足生物可降解材料耐腐蝕性能的設(shè)計(jì)要求。Zn 的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(dāng)生物可降解材料的優(yōu)勢(shì)之一。參考鎂合金和鐵合金的腐蝕模型對(duì)鋅基合金的腐蝕機(jī)理進(jìn)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(jìn)展與展望［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 37(1): 58-64.】提出，同理Zn的腐蝕機(jī)理與Mg 的腐蝕機(jī)理存在異曲同工之妙，通過(guò)總結(jié)多個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，Zn 在生理環(huán)境中的腐蝕機(jī)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(duì)Zn-1Mg 合金生物降解行為和力學(xué)性能的影響。擠壓分析后晶粒度顯著減小，浸泡試驗(yàn)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(xì)化效應(yīng)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(huì)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(kù)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(duì)于富鋅合金，Mg2Zn11 會(huì)先腐蝕。在富含鋅的合金中，Mg（OH）2 會(huì)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(guò)降低腐蝕電位來(lái)減輕Zn 基體的腐蝕。并可以提供對(duì)各種Mg-Zn 合金降解行為的深入理解。

結(jié)論

對(duì)于生物可降解鋅基合金的體外探索還停留在對(duì)某個(gè)領(lǐng)域或單一性能的測(cè)試上，需要做更多實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)可降解鋅基合金目前主要應(yīng)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(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，揭示鋅基合金在各種組織下性能的退化，進(jìn)一步驗(yàn)證降解產(chǎn)物在環(huán)境下發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)和生物性變化，進(jìn)一步達(dá)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(qiáng)烈和廣譜殺菌能力，相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，銅元素的加入，可以使植入物導(dǎo)致的感染發(fā)生率會(huì)大幅度降低。并且在材料性能方面起到了細(xì)化晶粒的作用，合金的綜合力學(xué)性能得到了提高（屈服強(qiáng)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。