可降解Zn-Ag-xAl合金的设计：研究其微观结构、腐蚀性能以及对泌尿系统植入物的细菌敏感性

《Journal of Alloys and Compounds》：Design of Biodegradable Zn-Ag-xAl Alloys: Investigation of Microstructure, Corrosion, and Bacterial Sensitivity for Urological Implants

锌基三元合金的生物降解性能及抗菌机理研究。采用熔炼铸造法制备Zn-0.5Ag-xAl（x=0-0.8wt%）合金，经350℃/16h均质化处理。通过OM/SEM/EDS/XRD分析表明，添加Al细化晶粒（晶粒尺寸由448μm降至275μm），Zn-0.5Ag-0.6Al合金硬度达61.5HV，抗腐蚀率（5.71-1.09μA·cm?2）与抗菌活性（15.25mm抑菌圈）表现最佳。细胞实验显示合金对T24和PNT1A细胞系具有良好相容性。该研究为泌尿支架的生物降解材料开发提供新思路。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的三元锌基合金，旨在解决尿路系统中常见的临床问题，特别是尿路支架材料的生物降解性、抗菌性能以及机械性能之间的平衡。研究团队由来自K?rsehir Ahi Evran大学机械工程系的科学家组成，他们通过铸造方法在受控环境下制备了Zn-0.5Ag-xAl（x = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 wt%）系列合金，并对其微观结构、硬度、体外腐蚀行为、生物降解性以及细菌敏感性进行了系统分析。研究结果表明，这种新型合金在尿路支架应用中具有广阔前景，尤其是在生物相容性和材料性能方面表现出显著优势。

尿路系统容易受到多种临床问题的影响，如损伤、感染以及阻塞或狭窄，这些问题对全球社会和经济都产生了重要影响。尿路系统是肾系统的组成部分，其主要功能是通过尿液从肾脏到膀胱再到体外的流动，维持身体的稳态。尿液在尿路中的积聚可能导致肾积水，进而影响其他器官系统的正常运作。尿路支架在尿路手术后用于缓解阻塞或保持通畅，理想的支架材料应具备优化的尿流能力、抗结垢性、抗感染性以及生物降解性。然而，传统支架材料由于长期留在体内，可能引发慢性炎症、凝血反应以及支架结构断裂等问题。因此，生物降解性支架材料的研发成为解决这些问题的重要方向。

在过去20年中，科学家们一直在探索理想的生物降解性支架材料。早期研究主要集中在铁（Fe）和镁（Mg）合金上，虽然这些材料在某些性能方面表现优异，但难以在单一材料中同时优化生物相容性、适当的腐蚀速率、机械稳定性、生产便利性和成本等因素。随着对镁和铁基合金研究中遇到的挑战逐渐显现，研究重点转向了锌（Zn）合金。锌合金因其生产简便、更优的腐蚀速率以及无害的腐蚀产物，被认为是替代铁和镁的优选材料。此外，锌在人体代谢中具有重要作用，涉及超过300种酶的功能，因此在生物降解性支架材料中，保持其结构的稳定性至关重要。

锌合金的降解速率介于铁和镁之间，这一特性使其近年来受到越来越多的关注。与镁合金不同，锌合金在降解过程中不会产生氢气，这在一定程度上减少了潜在的腐蚀风险。同时，锌的熔点较低（419°C），熔化过程不需要特殊的真空或气体环境，这使得其生产更加经济高效。锌合金的抗菌性能、硬度和延展性可以通过与其他元素如铜（Cu）、银（Ag）、铝（Al）和锰（Mn）进行合金化而得到增强。银的添加能够提高锌合金的抗拉强度和抗压强度，同时增强其抗菌性能和耐磨性。铝的加入则有助于细化锌的晶粒，提高其机械性能和生物降解性。这些元素的协同作用为锌基合金在尿路支架应用中提供了新的可能性。

然而，尽管锌合金在某些性能方面表现优异，其在尿路支架应用中的研究仍处于初步阶段。现有的研究多集中于纯锌材料，虽然取得了一定成果，但强调仍需进一步优化其机械性能和降解行为。此外，锌合金在生物相容性方面的表现也需进一步验证，特别是在与人体组织的长期相互作用中。研究团队指出，银和铝的加入不仅能够提高合金的机械性能，还可能对生物降解性产生积极影响。例如，银的添加有助于形成稳定的二次相，从而增强合金的抗腐蚀能力；而铝的加入则能细化晶粒，提高合金的强度和延展性。

在研究过程中，团队通过铸造方法在受控环境下制备了Zn-0.5Ag-xAl系列合金。铸造过程在真空电阻炉中进行，使用高纯度（99.99%）的锌、铝和银作为原料，这些原料以颗粒形式获得，尺寸范围在1-6毫米之间。为了确保合金的均匀性并防止元素分离，合金在熔化过程中被充分搅拌。随后，合金样品在350°C下进行了16小时的均质化热处理，以进一步优化其微观结构和性能。

为了评估合金的微观结构，研究团队使用了光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等技术。X射线衍射（XRD）分析用于确定合金的相组成，结果显示所有加入铝的合金均呈现出六方密堆积（HCP）结构。这表明铝的加入对合金的微观结构产生了重要影响，有助于形成更均匀的相分布，从而提高其机械性能和生物降解性。

在腐蚀行为的评估方面，研究团队在模拟体液（SBF）和人工尿液（AU）溶液中进行了体外实验，持续时间最长达到21天。实验采用电化学极化技术和浸泡测试方法，以测量合金的腐蚀电流（i_corr）和降解速率。结果显示，Zn-0.5Ag-0.4Al合金在硬度方面表现出最佳性能，其硬度值达到61.5 HV。然而，随着铝含量的增加，硬度值并未显著提升，这表明在一定范围内，铝的加入对硬度的影响有限。

在抗菌性能的测试中，研究团队观察到铝的加入显著提高了合金的抗菌活性。特别是Zn-0.5Ag-0.6Al合金，在与大肠杆菌（E. coli）细菌的相互作用中表现出最高的抗菌效果，其抗菌直径达到15.25 mm。这表明铝的加入对合金的抗菌性能具有积极影响，可能与其在微观结构中形成的微结构效应有关。此外，研究团队还对合金的生物相容性进行了评估，采用小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）、人类尿道癌细胞（T24）和前列腺上皮细胞（PNT1A）等细胞模型进行细胞实验。结果显示，Zn-0.5Ag-0.6Al合金在这些实验中表现出较高的生物相容性，显示出其在尿路支架应用中的潜力。

在生物降解性方面，研究团队发现锌合金的降解速率与人体组织的修复过程相匹配，同时保持其机械稳定性。这一特性对于尿路支架的应用至关重要，因为支架需要在体内维持一定时间后逐渐降解，以避免长期滞留带来的潜在问题。然而，铝的加入对降解速率的影响需要进一步研究，以确定其在不同浓度下的表现。此外，研究团队指出，尽管铝在某些情况下可能具有潜在毒性，但在尿路支架应用中，由于合金是在人体自然过滤系统（如肝脏和肾脏）之后植入，因此其毒性风险相对较低。

研究团队还发现，锌合金的机械性能和降解行为在加入银和铝后得到了显著优化。银的添加不仅提高了合金的抗拉强度和抗压强度，还增强了其抗菌性能和耐磨性。铝的加入则有助于细化晶粒，提高合金的延展性和抗腐蚀能力。这些元素的协同作用为锌基合金在尿路支架应用中提供了新的可能性，尤其是在需要同时满足抗菌性能和生物降解性的场景下。

此外，研究团队强调，现有的二元系统如Zn-Ag和Zn-Al在机械性能、抗菌性能和抗腐蚀能力方面表现出显著优势，但尚未有系统研究针对专门设计用于尿路应用的三元Zn-Ag-Al合金系统。因此，本研究的重点在于分析铝含量对Zn-0.5Ag合金体系的机械性能和降解行为的影响。通过系统的实验和分析，研究团队希望为未来的尿路支架材料开发提供理论依据和技术支持。

在结论部分，研究团队总结了Zn-0.5Ag-xAl合金在尿路支架应用中的表现。结果显示，铝的加入显著细化了合金的晶粒，降低了平均晶粒尺寸，从448 μm（Zn-0.5Ag）减少到更小的范围。这一微观结构的优化有助于提高合金的机械性能和生物降解性。此外，研究团队发现，Zn-0.5Ag-0.6Al合金在抗菌性能和生物相容性方面表现出最佳效果，显示出其在尿路支架应用中的潜力。这些发现为未来锌基合金在尿路系统中的应用提供了重要的参考价值，同时也为进一步优化合金成分和性能指明了方向。

总体而言，这项研究为锌基合金在尿路支架领域的应用提供了新的思路和实验数据。通过系统分析铝含量对合金性能的影响，研究团队揭示了三元Zn-Ag-Al合金在机械性能、抗菌性能和生物降解性方面的优势。这些结果不仅有助于推动尿路支架材料的创新，也为生物降解性金属材料的进一步研究奠定了基础。未来的研究可以进一步探索不同合金成分的组合，以实现更全面的性能优化，同时确保其在人体内的安全性和有效性。