微观结构调控可生物降解Mg–Al合金早期的腐蚀行为及铝元素在体内的分布：结合体外与体内实验的综合性研究

《Acta Biomaterialia》：Microstructure regulates early-stage corrosion behavior and systemic aluminum fate in biodegradable Mg–Al alloys: Integrated in-vitro and in-vivo insights

镁合金生物降解中微结构调控铝释放行为研究。体外实验显示峰时效（PA）合金因高密度β-Mg17Al12沉淀导致点蚀加速和总铝释放量更高，而体内实验则相反，ST合金系统铝离子水平更高。研究揭示β相形态影响铝存在形式（离子/颗粒），进而调控生物可利用性和系统暴露。

　　镁-铝（Mg–Al）合金因其在生物可降解植入物领域的潜力而受到广泛关注。这类合金能够在人体内逐渐溶解，从而避免了传统金属植入物所带来的长期健康风险，如慢性炎症、晚期再狭窄和晚期支架血栓形成等。此外，其弹性模量接近骨骼，有助于减少应力屏蔽效应，提高生物相容性。然而，Mg–Al合金在氯离子丰富的生理环境中容易发生快速且不可控的腐蚀，这可能导致支架在血管充分愈合前就失去其机械性能，影响临床效果。因此，深入理解合金的微结构如何影响其降解行为和铝元素的释放机制，对于开发安全有效的生物可降解植入物至关重要。

本研究聚焦于Mg–9Al合金中β–Mg??Al??析出相在不同条件下的作用。通过体外浸泡测试和体内植入实验，我们发现，在体外环境中，峰值时效（Peak-aged, PA）样品，其含有大量β–Mg??Al??析出相，表现出更快的点蚀腐蚀和更高的总铝释放量。这表明析出相的存在可能促进了铝元素的释放过程。然而，在体内实验中，结果却呈现出相反的趋势：溶液处理（Solution-treated, ST）样品释放出的铝离子水平更高，而PA样品则在植入部位保留了更多的β–Mg??Al??析出相和腐蚀产物。这一现象可以归因于铝元素在不同微结构下的形态差异和迁移能力的不同。

在ST样品中，铝主要以溶解态的形式释放，形成离子和氧化物，这些物质更容易进入血液循环系统，从而增加铝元素的全身暴露量。而在PA样品中，铝更多地以颗粒状形式存在，这些颗粒状的析出相在体内环境中更难被运输到其他部位，因此其对系统的潜在影响较小。这种差异不仅影响了腐蚀的速率，还决定了铝元素在体内的生物可利用性和分布情况。通过对比分析，我们发现微结构对铝元素的释放机制具有决定性作用，而不仅仅是合金成分本身。

本研究的意义在于，首次揭示了在体内环境下，铝元素的形态和迁移动态与合金的微结构设计密切相关。这一发现为设计下一代镁基生物材料提供了重要的机制基础。在临床应用中，铝元素的释放可能引发不同的生物反应，包括神经毒性和细胞毒性等。因此，如何在保证合金强度的同时，控制铝元素的释放形态，是开发安全有效的生物可降解植入物的关键问题之一。

在Mg–Al合金中，铝元素的释放形式受到微结构状态的显著影响。通常情况下，铝元素以可溶性的Al3?离子或来自β–Mg??Al??相的颗粒状析出物的形式释放。这两种不同的释放方式对腐蚀动力学和宿主反应产生了深远的影响，进而决定了铝元素在体内的生物可利用性、清除率和免疫调节能力。体外浸泡实验的结果表明，析出相丰富的微结构可能加速局部腐蚀并增加铝元素的总释放量。然而，在体内环境中，由于组织包裹和炎症反应的作用，铝元素的释放行为变得更加复杂，析出相的存在反而可能限制其全身迁移。

因此，本研究通过系统的实验和多模式表征手段，揭示了微结构对铝元素释放行为的调控机制。我们发现，不同的处理方式会导致不同的微结构状态，进而影响铝元素的释放形态和动力学。通过比较ST样品和PA样品，我们能够将微结构状态的影响从合金的整体成分中分离出来，从而更清晰地理解其对生物降解行为的具体作用。这一研究不仅有助于优化Mg–Al合金的制备工艺，还为设计具有更好生物相容性和可控降解行为的镁基材料提供了理论依据。

在实际应用中，Mg–Al合金的降解行为对临床效果具有重要影响。例如，Mg–Al合金在心血管支架中的应用，可以显著减少长期抗血小板治疗的需求，提高患者的生活质量。然而，铝元素的释放可能带来一定的安全风险，特别是在体内环境中，其释放形态和迁移能力可能影响宿主的免疫反应和组织修复过程。因此，如何在合金设计中平衡机械性能和生物相容性，是当前研究的重点。

本研究的另一个重要发现是，不同微结构状态下的铝元素释放行为可能对生物体产生不同的影响。在ST样品中，由于缺乏β–Mg??Al??析出相，铝元素主要以溶解态的形式释放，这可能导致更高的全身暴露量。而在PA样品中，析出相的存在使得铝元素以颗粒状形式释放，这种释放方式可能更有利于控制铝元素的释放速率和分布范围。因此，通过调整合金的微结构状态，可以有效调控铝元素的释放行为，从而优化其在体内的生物可利用性和安全性。

此外，本研究还强调了合金处理方式对微结构状态的影响。通过温轧和溶液处理等工艺，可以调控合金的微结构，从而影响其机械性能和生物降解行为。例如，温轧可以发展出较强的基底织构，而溶液处理则有助于消除析出相，提高合金的延展性。因此，合理的处理方式不仅能够改善合金的加工性能，还能优化其在体内的降解行为和生物相容性。

在临床应用中，Mg–Al合金的降解行为可能对患者的康复过程产生重要影响。例如，支架的降解时间需要与血管的愈合过程相匹配，以确保支架在完成其功能后能够被安全地清除。然而，铝元素的释放可能影响这一过程，特别是在体内环境中，其释放形态和迁移能力可能决定支架的降解速率和清除方式。因此，如何在合金设计中平衡机械性能和生物相容性，是开发安全有效的生物可降解植入物的关键问题之一。

本研究的结果表明，微结构不仅影响合金的早期腐蚀动力学，还决定了其在体内的生物可利用性和分布情况。通过对比分析ST样品和PA样品，我们发现，析出相的存在可能有助于控制铝元素的释放速率，从而减少其对系统的潜在影响。这一发现为未来的合金设计提供了重要的参考，即通过调整微结构状态，可以优化合金的生物降解行为和安全性。

在实际应用中，Mg–Al合金的降解行为可能受到多种因素的影响，包括合金的成分、处理方式和微结构状态。因此，为了确保合金在体内环境中的安全性和有效性，需要综合考虑这些因素，并通过系统的实验和表征手段，优化合金的制备工艺。例如，通过调整时效处理的时间和温度，可以控制析出相的密度和形态，从而影响铝元素的释放行为和分布范围。

综上所述，本研究通过系统的实验和多模式表征手段，揭示了Mg–Al合金中β–Mg??Al??析出相在不同条件下的作用。研究结果表明，微结构状态对铝元素的释放行为和生物可利用性具有决定性影响。通过优化合金的处理方式和微结构状态，可以有效调控其在体内的降解行为和生物相容性，为开发安全有效的生物可降解植入物提供理论依据和技术支持。