挤压比对Mg–Zn–Mn–Sr合金微管的机械性能和生物降解行为的影响（该合金微管用于可生物降解的血管支架）

《Journal of Magnesium and Alloys》：Effect of extrusion ratio on mechanical and biodegradation behavior of Mg–Zn–Mn–Sr alloy microtubes for biodegradable vascular stents

本研究通过两步直接挤压工艺制备Mg-Zn-Mn-Sr合金微管，系统研究了挤压比对机械性能和生物降解行为的影响。结果表明，提高挤压比细化晶粒并弱化基底织构，增强抗拉强度（193.4 MPa增至211.0 MPa），但加速选择性晶界腐蚀和微电化学腐蚀，使降解速率提高177%。研究证实晶粒尺寸与降解速率呈负相关，基底织构强度与耐蚀性正相关，为生物可吸收支架设计提供理论依据。

　　这项研究深入探讨了镁合金ZMJ100微管在不同挤出比下的机械性能与生物降解行为之间的关系，特别关注了其微观结构和织构变化对整体性能的影响。通过两步直接挤出法，研究人员成功制造了具有超高精度的微管，外径分别为3.5 mm、2.1 mm和1.5 mm，壁厚分别为0.25 mm、0.20 mm和0.15 mm。研究发现，随着挤出比的增加，微管的晶粒细化和织构减弱在决定其机械性能和降解行为中起到了关键作用。挤出比的提升不仅带来了晶粒尺寸的减小，还导致了晶界数量的增加，这些因素共同影响了材料的强度和降解速率。

在机械性能方面，研究通过室温下的拉伸测试揭示了挤出比对材料强度的影响。拉伸试验表明，随着挤出比从57增加到240，屈服强度（TYS）和抗拉强度（UTS）均有所提升，但延伸率（EL）略有下降。这种强度提升主要归因于晶界强化效应，因为晶粒细化会增加晶界数量，从而阻碍位错的运动，提升材料的强度。然而，晶界强化的效果被基底织构的减弱和基底滑移的激活所部分抵消，尤其是在挤出比更高的情况下，基底滑移的激活程度增加，使得材料的延展性有所下降。这些结果表明，挤出比的调控对于优化镁合金在生物可降解支架应用中的性能至关重要。

在生物降解行为方面，研究采用氢气释放测试和电化学阻抗谱（EIS）等方法，评估了不同挤出比对微管降解速率的影响。实验结果显示，随着挤出比的增加，微管的降解速率显著上升，特别是在挤出比为240的情况下，降解速率达到1.03 mm/yr（基于氢气释放）和0.59 mm/yr（基于质量损失）。这一现象与晶粒细化和织构减弱密切相关，因为更细的晶粒和更弱的织构会增加晶界密度，从而促进选择性晶界腐蚀和不同取向晶粒之间的微电偶腐蚀。此外，研究还发现，氢气释放速率与晶粒尺寸的平方根成反比，进一步验证了晶界强化对降解行为的影响。

为了更全面地理解材料的降解机制，研究人员还进行了腐蚀行为的分析，包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）等手段。这些测试揭示了微管在降解过程中的表面形貌变化，表明在非钝化环境中，晶界和第二相（如Mg??Sr?和α-Mn）是主要的腐蚀起点。此外，研究还观察到，不同晶粒取向之间存在微电偶效应，导致局部腐蚀的发生。这种效应在挤出比更高的微管中尤为明显，因为晶粒取向的多样性增加，从而加速了材料的降解过程。

在微观结构和织构方面，研究通过电子背散射衍射（EBSD）和能谱分析（EDS）对不同挤出比下的微管进行了系统分析。EBSD结果显示，随着挤出比的增加，晶粒尺寸逐渐减小，从8.885 ± 3.499 μm减少至6.487 ± 2.451 μm。同时，基底织构的强度也有所减弱，基底平面的取向分布更加分散。这些变化与动态再结晶（DRX）过程密切相关，因为更高的挤出比会促进DRX的发生，从而导致晶粒细化和织构减弱。此外，研究还发现，Mg??Sr?作为主要的第二相，其分布较为均匀，而α-Mn的含量较低，表明合金的微观结构在不同挤出比下保持了一定的稳定性。

在电化学行为方面，EIS测试提供了关于材料在PBS溶液中腐蚀速率的定量信息。测试结果表明，随着挤出比的增加，微管的极化电阻（R_p）逐渐降低，这表明材料的腐蚀速率上升。EIS数据还揭示了材料表面的电化学行为，包括电荷转移电阻（R_CT）和双电层电容（CPE_CT）等参数的变化。这些参数的变化进一步支持了挤出比对材料性能的调控作用，特别是在晶界强化和织构减弱方面的效果。

综合来看，这项研究为生物可降解镁合金微管的制备和性能优化提供了重要的理论依据和实验数据。通过调控挤出比，研究人员能够有效地控制材料的晶粒尺寸和织构强度，从而在机械性能和降解速率之间实现最佳平衡。这种平衡对于生物可降解支架在人体内的应用至关重要，因为支架需要在短期内提供足够的机械支撑，同时又不能过早降解，以免影响血管的正常功能。因此，这项研究的结果不仅有助于理解镁合金微管的性能变化机制，还为未来的生物可降解支架设计和制造提供了重要的指导意义。