摘  要：生物可降解金属材料由于其良好的机械性能、生物相容性和生物降解能力，已逐渐成为应 用研究领域的热点。锌作为参与人体系统各项工作的元素之一，在新陈代谢中扮演着关键角色，具 有适宜的降解速率，因此，在骨折固定、血管支架等领域展现出了良好的应用前景。本研究对可降解 锌基合金的生理学优势和机械性能进行了总结，并对其耐腐蚀性能进行了体外研究与体内研究的 综合分析。

　　关键词：生物可降解金属；锌合金；耐腐蚀性能；体外研究；体内研究

　　生物可降解材料，通常是指应用于诊断与修复 组织或器官等疾病治疗领域，对组织、器官及血液无 副作用的一类功能材料。按照材料在生理环境中的 生物化学反应水平分为惰性生物材料、活性生物材 料、可降解生物材料。惰性生物材料具有良好的力 学性能，但其植入体与周围组织只是简单的机械结 合，无法形成出色的键合效果，长时间后植入体容易 造成血栓致使植入手术失败。

　　活性生物材料是一类能在材料表面引发特定生 物反应的材料，可以使组织可以与材料发生化学键 合。然而，这些材料在长期使用过程中存在明显的 机械强度下降的问题。随着医学组织工程学与材料 科学的迅速发展，近年来，生物可降解材料因其具备 的“可降解”能力而备受重视。

　　1  生物可降解金属材料的性能需求

　　镁元素是人体所需的重要微量元素，对于其在 生物系统中的作用，学界已进行了广泛研究。虞佳 雯[1]在 Mg 中加入了 Zn、Ca、Mn 元素，通过 8 道次的 ECAP 变形后，通过在 SBF 溶液中浸泡腐蚀后，发现 合金表面腐蚀类型为点蚀，镁合金的腐蚀类型取决 于其微观结构，镁合金的第二相会加速微电偶腐蚀， 导致其耐蚀性较低。

　　罗鹏[2]通过制备 Fe-30Mn-0.6N 合金，并将其植 入动物体内，发现其可促进成骨细胞 ALP 和 BMP-2的表达，同时体内生物的相容性较好。但铁基可降解 合金的缓慢降解在许多临床应用中都受到了严格限 制，铁基可降解支架的腐蚀速率不符合人体组织的 生长周期，且产物有害，长期滞留体内容易造成组织 分离。

　　锌基合金也需要从多个方向和角度对其进行评 估，完善其性能研究的标准以推进其性能进步，在传 统锌基合金机械性能研究的基础上，需要更着力于 其可吸收性、生物相容性、微结构、腐蚀效率等方面 的实验研究。

　　2  生物可降解锌基合金的优势

　　2.1  生物可降解锌基合金的生理学优势

　　首先，Zn 作为人体必备的微量元素之一，几乎 参与了人体所有的新陈代谢过程，作为多种酶的组 成元素，Zn 对人的生长发育[3]、神经系统[4]、代谢系统 [5]，甚至 DNA 调节都有巨大的作用。Zn 是调节 DNA 复制、转译过程和转录 DNA 聚合酶的必要组成部 分。Zn 强大的生物相容性及其对人体生理活动的重 要参与是我们选择其作为生物可降解材料的重要原 因。

　　2.2  生物可降解锌基合金的机械性能优势

　　锌基合金的力学性能在锌合金的基础上进行改 进后可以明显满足机械性能的需求，而且在防腐蚀 方面会有更出色的表现。纯 Zn 本身的力学强度无法达到可降解生物医用合金材料的要求，因此纯 Zn 很难直接作为可降解生物医用材料，而合金化则可 以明显完善其缺点。

　　2.3  生物可降解锌基合金的耐腐蚀性能优势

　　锌基合金可以满足生物可降解材料耐腐蚀性能 的设计要求。Zn 的标准电极电位为-0.76 V，介于 Mg（-2.37 V）和 Fe（-0.44 V）之间，可以为植入材料 提供适宜的腐蚀速率。锌基合金的降解速率符合生 理组织的修复速率，锌基合金的腐蚀速率介于镁合 金和铁合金之间，这也是锌基合金可以充当生物可 降解材料的优势之一。参考镁合金和铁合金的腐蚀 模型对锌基合金的腐蚀机理进行研究，镁合金的生 理环境腐蚀原理模型由郑玉峰[6]提出，同理 Zn 的腐 蚀机理与 Mg 的腐蚀机理存在异曲同工之妙，通过 总结多个实验结构，Zn 在生理环境中的腐蚀机理大 致如图 1 所示。

　　3  生物可降解锌基合金的降解行为研究

　　分析 WE43 和 Zn-1Mg 微观结构的差异，研究 热挤压工艺对 Zn-1Mg 合金生物降解行为和力学性 能的影响。挤压分析后晶粒度显著减小，浸泡试验 发现，挤压后 WE43 和 Zn-1Mg 的腐蚀速率分别降 低了 35%和 57%。热挤压后 Zn-1Mg 的典型晶粒细 化效应表现为大的树枝晶转变为小的近等轴晶粒， 宽的共晶混合物转变为了沿晶界偏析的小金属间化 合物沉淀如图 2 所示。更重要的是，热挤压会使挤压 WE43 和 Zn-1Mg 合金的生物降解性能更加均匀。

　　利用 AFLOW 和 ICSD 数据库收集 Mg-Zn 合金 的中间相数据，利用第一性原理生成在水溶液环境 中、 富含 Cl-环境中、298 K 环境和不同 pH 条件下 Mg-Zn 的布拜图（如图3 所示）。研究发现，对于富 锌合金，Mg2Zn11 会先腐蚀。在富含锌的合金中，Mg （OH）2 会优选在碱性条件下沉淀，从而阻碍 pH 的 增加并防止溶解的 ZnO22+离子的释放。在含 Cl-的溶 液中，可溶性 ZnCl2 可以通过降低腐蚀电位来减轻 Zn 基体的腐蚀。并可以提供对各种 Mg-Zn 合金降 解行为的深入理解。

　　生物可降解锌基材料的降解行为需要在了解其 机械性能的基础上进行研究，通过平衡其腐蚀机理 和机械性能来筛选出合格的生物可降解材料，出色 的降解机制也需要材料的机械强度作为支撑，以保 证其在修复阶段可以得到有效支撑。目前生物可降 解锌基合金的降解机制也在逐步发掘但仍需要继续 研究多元合金的腐蚀降解机制。

　　4  结论

　　对于生物可降解锌基合金的体外探索还停留在 对某个领域或单一性能的测试上，需要做更多实验 对其进行系统分析，发现可降解锌基合金目前主要 应用于血管支架、骨骼植入物等领域，更需要在血 液、皮下环境下进行模拟实验，揭示锌基合金在各种 组织下性能的退化，进一步验证降解产物在环境下 发生的物理化学反应和生物性变化，进一步达到可 降解的目的。

　　参  考  文  献

　　［1］ 虞佳雯. 生物可降解 Mg-Zn-Mn-Ca 合金制备及腐蚀行 为研究［D］. 太原: 太原理工大学, 2023.

　　［2］ 罗鹏. 新型生物可降解 Fe-30Mn-0.6N 合金的体内生物 相容性研究［D］. 沈阳: 中国医科大学, 2022.

　　［3］ 张浪千. 缺锌与儿童健康［J］. 微量元素与健康研究,2004(5): 25-26.

　　［4］ 楚瑞琦, 袁海峰. 锌在中枢神经系统中的重要性: 含锌 神经元的分子生物学探讨［J］. 国外医学(医学地理分 册), 2001(4): 156-158.

　　［5］ 陈文强. 微量元素锌与人体健康［J］. 微量元素与健康 研究, 2006(4): 62-65.

　　［6］ 郑玉峰, 杨宏韬. 锌基可降解金属研究进展与展望［J］. 天津理工大学学报, 2021, 37(1): 58-64.