生理流体中的蛋白质如何抵抗镁合金的早期断裂：BSA对ZK60合金应力腐蚀开裂(SCC)与腐蚀行为的独特双重调控

本刊推荐：为解决镁(ZK)合金作为可降解植入物时在人体生理环境中易发生应力腐蚀开裂(SCC)和腐蚀的关键问题，研究人员系统开展了牛血清白蛋白(BSA)和葡萄糖添加对ZK60镁合金在Hanks’溶液中SCC行为影响的研究。研究首次发现BSA的添加会形成独特的椭圆形断口形貌，并揭示BSA通过抑制SCC但同时加速腐蚀的双重作用机制，为生物医用镁合金的可靠性设计和性能优化提供了重要理论依据。

　　

镁合金被誉为生物材料领域的"革命性金属"，因其具有良好的生物相容性、可降解性和与人体骨骼相匹配的弹性模量，成为临时植入物的理想选择。然而，当镁合金植入人体后，面临着一个严峻挑战：在含有氯离子的体液环境中，它们不仅容易发生腐蚀，更可能发生应力腐蚀开裂(SCC)——一种在腐蚀环境和应力共同作用下发生的突然、灾难性的脆性断裂。这种失效风险严重制约了镁合金在生物医学领域的应用推广。

以往的研究大多集中在模拟生理环境的无机成分的影响，却忽略了一个关键因素：人体体液中含有大量有机成分，特别是蛋白质。这些有机分子是否会改变镁合金的腐蚀和行为？这正是发表于《Journal of Magnesium and Alloys》的研究工作所要探索的核心问题。

研究团队采用了一系列先进技术方法：通过慢应变速率拉伸(SSRT)测试评估ZK60合金在不同环境下的SCC敏感性；利用扫描电子显微镜(SEM)进行详细的断口形貌分析；采用电化学工作站进行动电位极化(PDP)测试以评估腐蚀行为；运用X射线光电子能谱(XPS)分析表面膜化学成分；并通过光学显微镜和透射电子显微镜(TEM)对合金微观结构进行表征。所有实验均在模拟生理条件(37°C，pH 7.2)下进行。

3.1. 合金微观结构

研究显示ZK60镁合金具有双峰分布的柱状晶结构，包含粗大/拉长晶粒和一些细小晶粒。X射线衍射(XRD)分析确定了α-Mg基体和第二相(MgZn₂和Zn₂Zr)的存在，透射电镜( TEM)进一步证实了Zn-Zr析出物的分布，且不同晶面的析出物形态、尺寸和数密度存在显著差异，这种微观结构的不均匀性对合金的腐蚀行为具有重要影响。

3.2. 腐蚀特性

电化学测试结果表明，在Hanks’溶液中添加1 g/L葡萄糖(HS2)对ZK60合金的腐蚀参数没有显著影响，而添加40 g/L BSA(HS3)则使腐蚀电流密度(i_corr)增加了4-5倍，显著加速了腐蚀过程。这种加速效应归因于BSA在金属表面的吸附及其与腐蚀产物形成可溶性复合物的螯合机制，从而破坏了保护性腐蚀层。

3.3. 应力腐蚀开裂

3.3.1. 慢应变速率拉伸测试

SSRT测试显示，ZK60合金在含有BSA的Hanks’溶液(HS3和HS4)中表现出更高的断裂伸长率，表明BSA的添加提高了合金抗SCC的能力。相反，在不含BSA的Hanks’溶液(HS1和HS2)中，合金显示出明显的SCC敏感性。

3.3.2. SEM断口学分析

断口分析揭示了截然不同的断裂机制：在不含BSA的溶液中，断口呈现穿晶和沿晶裂纹混合的脆性特征，是SCC的典型形貌；而在含BSA的溶液中，断口主要由韧性韧窝组成，表明发生了机械过载断裂而非SCC。这表明BSA有效抑制了SCC过程。

3.4. 独特的断口特征：假设解释与验证

研究观察到一个引人注目的现象：仅在含BSA的溶液中进行SSRT测试时，试样的整体断口呈现尖锐的椭圆形，而不含BSA的溶液则产生常规圆形断口。这种独特形貌被归因于挤压合金在圆周方向上微观结构的变异以及BSA破坏表面膜能力的差异共同作用的结果。通过在不同应变速率下的实验验证，发现椭圆度随着暴露时间(腐蚀持续时间)的增加而增加，支持了这一假设。

该研究得出了几个重要结论：BSA添加至Hanks’溶液会在ZK60镁合金中产生独特的椭圆形断口形貌；这种形貌是由挤压合金圆周方向的微观结构变异和BSA破坏表面膜的能力共同导致的；BSA对SCC和电化学腐蚀具有截然不同的影响——抑制SCC但同时增强腐蚀敏感性；葡萄糖添加对ZK60合金的SCC行为没有显著影响。

这些发现对生物医用镁合金的设计和应用具有深远意义。研究表明，虽然BSA会加速镁合金的整体腐蚀，但它同时能有效抑制SCC这种灾难性失效模式。这意味着在实际生理环境中，含有蛋白质的体液可能反而为镁合金植入物提供了一定的抗SCC保护，提高了其作为生物植入物的可靠性。研究还强调了在模拟生理环境时考虑有机成分的重要性，为未来镁合金的性能评估和优化设计提供了新的视角和理论基础。