微观结构调控对Mg-Ca-Zn-Y-Mn合金降解行为与生物相容性的影响机制研究

本研究针对可降解镁合金植入体临床应用面临的腐蚀速率不可控问题，系统探讨了退火处理对快速凝固粉末冶金制备的Mg-1.0Ca-0.5Zn-0.1Y-0.03Mn (at.%)合金微观结构的调控作用，及其对材料降解性能和生物相容性的影响规律。研究发现300°C退火使Mg2Ca析出相粗化，400°C退火引发完全再结晶和晶粒生长，导致材料腐蚀速率提升和细胞活性下降。该研究为可降解镁合金的微观结构设计与性能优化提供了重要理论依据。

　　

随着全球人口老龄化加剧和运动损伤增加，骨科植入物需求呈现爆发式增长。目前临床主要采用钛合金、钴铬合金等永久性金属植入物，但这些材料存在应力屏蔽、离子析出、二次手术等局限性。可降解镁合金因其与骨组织相匹配的力学性能和生物可降解特性，被誉为新一代骨科植入材料的理想选择。然而镁合金在生理环境中的不可控腐蚀速率，严重制约了其临床应用前景。

为突破这一技术瓶颈，由华沙理工大学Diana C. Martinez领衔的国际研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表了最新研究成果。该研究通过先进的快速凝固粉末冶金技术(RSRC)制备Mg-1.0Ca-0.5Zn-0.1Y-0.03Mn (at.%)合金，并系统研究不同退火工艺(300°C/2h和400°C/2h)对材料微观结构、降解行为和生物相容性的影响规律。

研究采用多学科交叉技术方法：通过扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)分析微观结构演变；采用电化学阻抗谱(EIS)和开路电位(OCP)测量评估腐蚀行为；通过摩擦腐蚀试验模拟植入体服役条件；利用MG63成骨细胞模型结合荧光显微技术评价生物相容性。

研究结果揭示：

微观结构表征显示：RSRC合金呈现等轴晶结构，包含Mg₂Ca和Mg₃Zn₃Y₂两种析出相。300°C退火后析出相轻微粗化，400°C退火导致完全再结晶和显著晶粒生长，平均晶粒尺寸从1.1μm增至微米级。

腐蚀性能分析表明：RSRC合金展现最佳耐腐蚀性(0.28±0.10 mm/年)，腐蚀层最薄(1.5±0.5μm)。退火处理后腐蚀加剧，400°C退火样品出现深度近20μm的腐蚀坑。电化学测试证实RSRC合金具有最高阻抗模量(1894 Ω·cm²)。

摩擦腐蚀行为：RSRC合金表现出最低磨损率([12.3±3.78]×10^-4 mm³/N/m)，退火样品磨损轨迹宽度增加约100μm，呈现磨粒磨损和分层特征。

生物相容性评估：RSRC组细胞活性最高(91.7±14.4%)，满足ISO 10993-5细胞毒性标准。退火样品表面形成针状腐蚀产物，导致细胞活性下降，300°C退火组活性最低(12.5±5.1%)。

研究结论与讨论部分强调：退火处理引起的晶粒粗化和第二相粗化是导致合金腐蚀抗力下降的主要原因。大尺寸晶粒内部作为阴极，晶界作为阳极，加速了晶界溶解。Mg₂Ca相与镁基体间的电偶腐蚀效应随析出相尺寸增大而加剧。表面能分析显示RSRC合金具有最高极性组分(57.9±0.4 mN/m)，有利于蛋白质吸附和细胞粘附。

该研究的科学价值在于：首次系统阐明了退火工艺对多组元镁合金微观结构与性能的调控机制，揭示了晶粒尺寸、第二相分布与降解行为的构效关系，为开发新一代可控降解镁基植入材料提供了重要的理论指导和技术支撑。研究证明通过优化快速凝固粉末冶金工艺参数，可获得兼具优良力学性能、合适降解速率和良好生物相容性的镁合金材料，推动可降解金属植入材料向临床转化应用迈出关键一步。