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鋅，正在成為下一代生物可降解植入物的關(guān)鍵材料。

然而，其固有的柔軟性限制了其在承重骨科植入物中的使用。

雖然減少鋅的晶粒尺寸可以使其更強(qiáng)，但它也破壞了其機(jī)械性能的穩(wěn)定，從而使其在體溫下的耐用性降低。

在此，來(lái)自澳大利亞莫納什大學(xué)的聶建峰等研究者研究表明，在保持基本織構(gòu)的同時(shí)，增加微米級(jí)晶粒尺寸，可以獲得超高強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性。相關(guān)論文以題為“Stronger and coarser-grained biodegradable zinc alloys”于2025年02月12日發(fā)表在Nature上。

不銹鋼與鈦合金骨釘、骨板作為骨折固定金標(biāo)準(zhǔn)雖療效可靠，卻因永久存留體內(nèi)易引發(fā)骨吸收、固定松動(dòng)等并發(fā)癥，約30%病例需二次手術(shù)翻修。

可降解鎂合金植入體（如鎂釔稀土鋯合金/MAGNEZIX、鎂釔鋅錳合金/NOVAMag）的興起帶來(lái)曙光，特別是2023年3月美國(guó)FDA批準(zhǔn)首款鎂鋅鈣創(chuàng)傷螺釘（RemeOs）。

然而現(xiàn)有材料抗壓屈服強(qiáng)度（50-260 MPa）僅適用于非承重部位，且鎂合金降解過(guò)程中氫氣泡釋放可能干擾組織再生進(jìn)程。

鋅基可降解材料憑借其無(wú)氫釋放特性與Zn2?促骨生成效應(yīng)成為新寵。

但純鋅強(qiáng)度過(guò)低（<30 MPa），即便通過(guò)熱擠壓工藝強(qiáng)化的二元合金強(qiáng)度也僅達(dá)95-120 MPa，傳統(tǒng)晶粒細(xì)化策略雖可提升強(qiáng)度，卻導(dǎo)致體溫環(huán)境下抗蠕變性能驟降——例如超細(xì)晶Zn-Li合金在37℃（約0.45同源溫度）低應(yīng)力下即發(fā)生蠕變失效，遠(yuǎn)超常規(guī)金屬的0.4閾值。

在此，本研究突破性提出“晶粒增粗強(qiáng)化“策略：通過(guò)微量合金化設(shè)計(jì)，在六方晶系鋅基體中培育大尺寸晶粒，成功開(kāi)發(fā)兼具高強(qiáng)度（較鎂基植入體提升近兩倍）與優(yōu)異抗蠕變性能的新型合金。

更為重要的是，首次觀察到“孿晶協(xié)同變形“新機(jī)制——不同于傳統(tǒng)機(jī)械孿生引發(fā)的塑性響應(yīng)，新型孿晶通過(guò)協(xié)調(diào)相鄰晶粒形變實(shí)現(xiàn)應(yīng)力再分配。

在這種反向霍爾–珀奇效應(yīng)中，變形模式由初始晶粒尺寸時(shí)的晶界滑移和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я３叽缭龃髸r(shí)的晶內(nèi)錐體滑移和異常孿晶。反常孿晶的作用，在這項(xiàng)工作中被稱為“調(diào)節(jié)孿晶”，是在垂直于外部加載方向的平面上調(diào)節(jié)改變的晶粒形狀，與著名的“機(jī)械孿晶”相反，其作用是沿著外部加載方向傳遞塑性。

這些稀鋅合金達(dá)到的強(qiáng)度水平幾乎是由鎂合金制成的生物可降解植入物的兩倍，使它們成為人們所知的制造骨固定植入物的最強(qiáng)和最穩(wěn)定的生物可降解合金。

圖1 Zn-0.2 wt%鎂合金不同晶粒尺寸試樣的室溫壓縮性能。

圖2 Zn-0.2 wt% Mg合金d₃試樣擠壓過(guò)程中沿?cái)D壓方向的組織演變。

圖3 調(diào)節(jié)孿生和機(jī)械孿生原理圖。

圖4 鋅合金的強(qiáng)度、抗蠕變性和生物降解性。

綜上所述，研究者通過(guò)調(diào)控晶粒尺寸與取向來(lái)定制變形模式，成功開(kāi)發(fā)出兼具高強(qiáng)度與耐久性的可降解鋅合金。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)基面織構(gòu)形成時(shí)，將晶粒尺寸控制在微米尺度內(nèi)增大可顯著提升抗壓強(qiáng)度。

這種反Hall-Petch效應(yīng)源于主導(dǎo)變形模式的漸進(jìn)轉(zhuǎn)變——小晶粒體系以晶界滑移和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主，而大晶粒體系則傾向于晶內(nèi)錐面滑移和非常規(guī)孿生。

這類(lèi)特殊孿生通過(guò)協(xié)調(diào)相鄰晶粒的形變實(shí)現(xiàn)應(yīng)力緩沖，與常規(guī)機(jī)械孿生單純響應(yīng)外部應(yīng)力的塑性機(jī)制形成鮮明對(duì)比。

粗晶粒與高合金強(qiáng)度之間的獨(dú)特關(guān)聯(lián)為先進(jìn)可降解金屬產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了新思路。粗晶鋅合金的抗壓屈服強(qiáng)度不僅超越骨科螺釘用鎂合金（MAGNEZIX、NOVAMag、RESOMET），更可與高強(qiáng)度醫(yī)用不銹鋼媲美。

圖4c對(duì)比了合金B與臨床獲批骨植入體材料Mg-Zn-Ca合金（RemeOs改良型Mg-0.4Zn-0.1Ca）的性能：合金B在抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗蠕變性能方面均顯著優(yōu)于鎂基合金，僅拉伸屈服強(qiáng)度差異較小。

合金B螺釘?shù)捏w內(nèi)降解速率接近臨床鎂基骨植入體的最低觀測(cè)值，其具體速率受植入時(shí)長(zhǎng)、骨骼部位和動(dòng)物物種等因素影響。

值得注意的是，鋅合金植入體的體外降解測(cè)試結(jié)果往往嚴(yán)重低估實(shí)際體內(nèi)降解速率。

這突顯了在體外實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建適宜生理環(huán)境的重要性，只有通過(guò)此類(lèi)模擬才能準(zhǔn)確評(píng)估鋅基骨科植入材料的真實(shí)降解行為。

參考文獻(xiàn)

Wu, C., Lin, F., Liu, H. et al. Stronger and coarser-grained biodegradable zinc alloys. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08415-8

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08415-8

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