通过添加镁和钕来改善锌合金的机械性能、抗腐蚀性能和生物相容性，以适用于骨植入物领域

《RSC Advances》：Enhancement of mechanical, corrosion, and biocompatibility properties of zinc alloys through magnesium and neodymium alloying for bone implant applications

Zn-Mg-Nd合金通过热挤压工艺实现细晶强化，其Zn-0.1Mg-1Nd合金抗拉强度达381 MPa，延伸率17.7%，腐蚀率0.094 mm/年。生物测试显示合金提取物促进hBMSCs骨分化基因表达（Runx2、OPN、COL1），细胞活性＞80%，且Nd添加抑制Mg释放，提升材料临床适用性。

　　### 生物可降解材料在骨科应用中的重要性与挑战

随着全球人口老龄化的加剧，对适用于老年患者的先进生物医用材料的需求正变得日益迫切。生物可降解材料在医疗领域中扮演着重要角色，它们能够在体内发挥功能后逐渐降解并被吸收，从而避免二次手术移除。锌（Zn）作为一种重要的微量元素，在人体组织和器官中广泛分布，因其良好的生物相容性和适中的体内降解速率，被认为是下一代生物可降解骨科植入物的有力候选材料。然而，纯锌在机械性能方面存在显著的局限性，主要由于其缺乏有效的强化机制。因此，通过引入合金元素，如镁（Mg）和钕（Nd），可以显著改善其性能，使其适用于中等载荷的骨科应用。

### 合金元素的引入与加工工艺

为了提升Zn合金的性能，本研究引入了Mg和Nd作为合金元素，并通过热挤压工艺制造具有优越机械和生物特性的Zn基合金。热挤压是一种常见的金属加工技术，能够通过塑性变形显著细化材料的微观结构，提高其强度和延展性。通过热挤压处理后，Zn-0.1Mg-1Nd合金表现出细晶结构，平均晶粒尺寸仅为1.36微米，相比纯锌的晶粒尺寸（56.90微米）显著减小。这种晶粒细化不仅提升了合金的抗拉强度，还改善了其延展性。纯锌的抗拉强度仅为71 MPa，而Zn-0.1Mg-1Nd合金的抗拉强度达到了381 MPa，延展性从10.7%提升至17.7%。这些机械性能的提升使得该合金在中等载荷的骨科植入物应用中具备可行性。

### 腐蚀性能的优化

在生物可降解材料中，腐蚀性能是一个至关重要的指标。Zn合金在体内会逐渐与体液发生反应，从而实现降解。然而，纯锌的腐蚀速率较高，这限制了其在临床中的应用。本研究通过引入Mg和Nd，显著改善了Zn合金的腐蚀行为。电化学测试和浸泡实验表明，Zn-0.1Mg-1Nd合金的腐蚀速率降至0.094 mm/year，相较于纯锌的0.186 mm/year有明显下降。这一性能的提升归因于两个主要机制：一是晶粒细化，这降低了腐蚀的热力学驱动力，增强了材料表面的钝化层；二是Nd的引入，通过电化学差异调节了腐蚀行为，形成了更均匀和保护性的表面膜层。这些机制共同作用，使得Zn-Mg-Nd合金在体内表现出更优异的耐腐蚀性能。

### 生物相容性评估

生物相容性是决定生物可降解材料是否适用于人体的重要因素。本研究通过细胞活力实验和细胞活性测试，评估了Zn-Mg-Nd合金对人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）和小鼠巨噬细胞（RAW 264.7）的影响。结果显示，Zn-Mg-Nd合金的细胞活力显著高于纯锌。特别是在50%浓度的提取液中，所有合金组的细胞活力均超过80%，接近对照组水平，表明这些合金在生物相容性方面表现良好。此外，通过活/死染色实验，进一步验证了合金对细胞的非毒性作用。Zn-0.1Mg-1Nd合金在促进hBMSCs的活性方面表现出最佳效果，表明其在骨生成方面的潜力。

### 骨生成诱导能力的评估

为了评估Zn-Mg-Nd合金是否能够促进骨生成，本研究进行了体外骨生成诱导实验。通过定量实时聚合酶链反应（qPCR）和碱性磷酸酶（ALP）染色、茜素红S（ARS）染色等方法，分析了关键骨生成标志物（如ALP、OPN、COL1和Runx2）的表达水平。结果显示，与纯锌和未处理对照组相比，Zn-Mg-Nd合金组的骨生成标志物表达水平显著升高。其中，Zn-0.1Mg-1Nd合金的ALP表达水平达到6.75，是Zn-0.1Mg合金（2.41）的两倍以上。OPN的表达水平也从1.89提升至4.31，Runx2的表达水平从2.26升至4.85。这些数据表明，Nd的引入显著增强了Zn-Mg合金的骨生成能力，使其成为潜在的骨科植入材料。

### 结论与展望

本研究通过引入Mg和Nd元素，并采用热挤压工艺，成功开发了一种具有优异机械性能、良好耐腐蚀性和生物相容性的Zn基合金。Zn-0.1Mg-1Nd合金在抗拉强度、延展性和骨生成诱导能力方面均表现出显著优势，有望在中等载荷的骨科应用中发挥重要作用。然而，进一步的研究仍需关注合金在体内长期降解行为、生物活性的持续性以及其在实际临床环境中的表现。此外，未来的研究可以探索更多合金元素的组合，以进一步优化其性能，使其在更广泛的医疗应用中发挥作用。