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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，但它也破壞了其機械性能的穩(wěn)定，從而使其在體溫下的耐用性降低。

在此，來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，增加微米級晶粒尺寸，可以獲得超高強度和優(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準雖療效可靠，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）的興起帶來曙光，特別是2023年3月美國FDA批準首款鎂鋅鈣創(chuàng)傷螺釘（RemeOs）。

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

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

但純鋅強度過低（<30 MPa），即便通過熱擠壓工藝強化的二元合金強度也僅達95-120 MPa，傳統(tǒng)晶粒細化策略雖可提升強度，卻導(dǎo)致體溫環(huán)境下抗蠕變性能驟降——例如超細晶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“晶粒增粗強化“策略：通過微量合金化設(shè)計，在六方晶系鋅基體中培育大尺寸晶粒，成功開發(fā)兼具高強度（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“新機制——不同于傳統(tǒng)機械孿生引發(fā)的塑性響應(yīng)，新型孿晶通過協(xié)調(diào)相鄰晶粒形變實現(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的晶界滑移和動態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я３叽缭龃髸r的晶內(nèi)錐體滑移和異常孿晶。反常孿晶的作用，在這項工作中被稱為“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。

這些稀鋅合金達到的強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試樣擠壓過程中沿擠壓方向的組織演變。

圖3 調(diào)節(jié)孿生和機械孿生原理圖。

圖4 鋅合金的強度、抗蠕變性和生物降解性。

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

實驗結(jié)果表明：當基面織構(gòu)形成時，將晶粒尺寸控制在微米尺度內(nèi)增大可顯著提升抗壓強度。

這種反Hall-Petch效應(yīng)源于主導(dǎo)變形模式的漸進轉(zhuǎn)變——小晶粒體系以晶界滑移和動態(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。

這類特殊孿生通過協(xié)調(diào)相鄰晶粒的形變實現(xiàn)應(yīng)力緩沖，與常規(guī)機械孿生單純響應(yīng)外部應(yīng)力的塑性機制形成鮮明對比。

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

圖4c對比了合金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在抗壓強度、抗剪強度、抗彎強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值，其具體速率受植入時長、骨骼部位和動物物種等因素影響。

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

這突顯了在體外實驗中構(gòu)建適宜生理環(huán)境的重要性，只有通過此類模擬才能準確評估鋅基骨科植入材料的真實降解行為。

參考文獻

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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