通过热机械加工调控可降解Zn-Cu-Li细丝微观结构以实现高性能手术吻合钉

《Bioactive Materials》：Tailoring the microstructure of biodegradable Zn-Cu-Li wires via thermo-mechanical processing towards high-performance surgical staples

为应对可降解锌合金细丝普遍存在的机械性能不足、相关研究尚处初步阶段的挑战，上海交通大学材料科学与工程学院的研究团队针对Zn-2Cu-0.8Li (wt%)合金，通过热挤压、室温多道次拉拔及退火，成功制备出直径0.22 mm的细丝。该细丝展现出优异的力学性能（退火后TYS: 492 MPa, UTS: 537 MPa, EL: 44.2%），其降解率（327 μm?year-1）高于挤压态样品。进一步制成的吻合钉极限拉力（1.86 N）与钛钉相当，在比格犬胃组织吻合、体外及体内降解中均表现良好。这表明该合金细丝与吻合钉具有临床应用潜力。

　　

在胃肠道吻合、器官切除等外科手术中，手术吻合钉因其能有效缩短手术时间、减少组织创伤和降低术后感染风险，已得到广泛应用。目前临床使用的吻合钉大多由生物惰性金属制成，它们在植入后将永久存留于体内，可能导致慢性炎症等远期并发症。理想的替代方案是使用可降解金属，它们能在组织愈合后逐渐降解，从而避免上述问题。在镁(Mg)、铁(Fe)、锌(Zn)这三种主要的可降解金属中，锌凭借其适中的降解速率和作为人体必需微量元素的重要生理功能，展现出作为吻合钉材料的巨大潜力。近年来，多项临床前研究验证了锌合金吻合钉的可行性，但整体研究仍处于初步阶段。现有锌合金细丝的性能，特别是力学性能，仍不足以完全满足吻合钉材料的要求。这成为了锌合金吻合钉迈向临床应用的“卡脖子”难题。近期，一项发表在《Bioactive Materials》上的研究，为突破这一瓶颈提供了新思路。

为系统评估合金的微观结构、力学性能和降解行为，并评估其在吻合钉应用中的可行性，研究人员采用了多元化的技术方法。研究团队通过热挤压、室温多道次拉拔（37道次）和退火处理，制备了Zn-2Cu-0.8Li (wt%)合金细丝。运用了扫描电子显微镜(SEM)结合能谱仪(EDS)和飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)、电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)等手段进行了详细的微观结构表征。力学性能测试包括对细丝的标准拉伸测试和对吻合钉的极限拉力测试。体外降解行为通过模拟体液(c-SBF)浸没实验（依据ASTM G31-21标准）进行评估，并测量了释放的离子浓度。最后，将最优参数的细丝制成吻合钉，在比格犬模型中进行了胃切除术吻合的体内实验，术后12个月通过X射线显微镜扫描(XRM)等手段评估了体内降解和生物安全性。

3.1. 细丝在拉拔过程中的微观结构和力学性能演变

研究人员选取了直径为1.5 mm（挤压态）、0.81 mm（中间态）和0.22 mm（最终态）的细丝，研究了其微观结构演变。拉拔过程导致基体相β-LiZn₄显著沿拉拔方向伸长，并伴随动态回复(DRV)和连续动态再结晶(CDRX)。低角度晶界分数显著增加，平均晶粒尺寸显著减小。第二相η-Zn由于发生了动态再结晶(DRX)，呈细小的等轴晶条带分布。XRD和EBSD分析确认，在拉拔过程中，合金的组成相始终为含铜的β-LiZn₄基体和η-Zn。EBSD分析进一步量化了演变过程：当拉拔应变量（直径缩减）从0%增至70.8%时，平均晶粒取向差(GOS)值和低角度晶界(LAGB)分数急剧增加，表明变形程度加大；当应变量增至97.8%时，由于CDRX被大量激活，新形成的动态再结晶细晶比例增加，平均晶粒尺寸大幅减小。力学性能测试表明，随着拉拔道次增加，细丝的拉伸屈服强度(TYS)和极限抗拉强度(UTS)显著提高，断裂延伸率(EL)则有所降低。从1.5 mm到0.22 mm，TYS从376 MPa增至596 MPa，UTS从423 MPa增至631 MPa，而EL从88.8%降至25.4%。

3.2. 退火处理后细丝的微观结构和力学性能

为降低内应力、提高稳定性并改善塑性，研究人员对0.22 mm细丝进行了不同温度（120°C, 175°C, 225°C）的退火处理。结果表明，在120°C退火1小时后，细丝获得了最优的综合力学性能：TYS 492 MPa, UTS 537 MPa, EL 44.2%。EBSD分析显示，120°C退火后，低角度晶界分数和变形程度降低，再结晶晶粒分数略有增加，但织构强度和类型（<01-10>//DD的基面纤维织构）未发生显著变化。随着退火温度升高，强度持续下降，伸长率在120°C时显著提升后，在更高温度下仅略有增加。

3.3. 细丝的降解行为

体外浸没实验（c-SBF, 37°C, 21天）评估了0.22 mm-120细丝、1.5 mm细丝和20 mm棒材的降解行为。结果表明，经过拉拔和退火处理的0.22 mm-120细丝具有最高的降解率（327 μm?year^-1），高于1.5 mm细丝（236 μm?year^-1）和20 mm棒材（112 μm?year^-1）。Zn²⁺和Li⁺的释放浓度也呈现出相同趋势。表面和截面形貌观察显示，所有样品均呈现均匀降解模式，存在大量微小腐蚀坑。值得注意的是，η-Zn相由于与β-LiZn₄基体之间存在微电偶腐蚀，优先降解。随着降解进行，腐蚀区域基体中的Cu含量显著升高，表明发生了Cu的富集。XPS分析表明，降解产物主要由Li₂CO₃、LiOH、Zn₅(OH)₆(CO₃)₂、ZnO、Zn(OH)₂、Zn₃(PO₄)₂和钙磷化合物组成。

3.4. 吻合钉的性能

3.4.1. 体外性能

将0.22 mm-120细丝制成U型钉，并通过吻合器变形为B型钉。力学测试显示，Zn合金钉的极限拉力为1.86 N，约为纯钛钉（1.99 N）的94%。体外降解实验（21天）表明，吻合钉的降解率略高于细丝，且降解存在区域性差异：钉脚和腿部弧形区域因变形产生的残余应力集中，降解更为严重，但差异并不显著。有限元分析模拟证实了这些区域的残余应力集中。

3.4.2. 体内性能

在比格犬胃切除术模型中的初步评估显示，Zn-2Cu-0.8Li合金吻合钉能够成功实现组织穿透和满意吻合，无显著渗漏或出血。术后12个月的XRM分析表明，钉脚和腿部弧形区域已完全降解，剩余金属体积约为原始体积的32%，据此计算的平均体内降解速率约为60 μm?year^-1，显著低于体外速率。这可能与体内外环境差异（如氯离子浓度、蛋白质存在、组织包裹等）以及测量周期不同有关。组织学分析、血液生化指标和金属离子浓度检测均表明，吻合钉具有良好的生物安全性。根据估算，钉子完全降解期间释放的Zn、Cu、Li日平均量远低于推荐膳食摄入量。

研究的讨论部分对上述发现进行了深入分析。关于微观结构演变，拉拔过程中发生的DRV和CDRX归因于β-LiZn₄相良好的室温变形能力、足够大的累积应变量、适当的室温（属于中温范围）以及较低的拉拔速率，这些条件共同为位错增殖、重组和再结晶提供了驱动力和时间。基面纤维织构的显著增强则主要归因于β-LiZn₄的主导变形模式为基面滑移。退火过程中的静态再结晶(SRX)和晶粒长大则得益于拉拔引入的大量位错和低角度晶界所提供的充足储存能及驱动力。

关于力学性能，本研究所开发的Zn-2Cu-0.8Li合金细丝在强度和塑性的平衡上具有明显优势，满足了吻合钉材料对强度的要求。强度的提升主要源于晶界强化和织构强化，而良好的塑性则得益于拉拔和退火过程中发生的DRV、CDRX以及η-Zn相的存在。

关于降解行为，拉拔细丝更高的降解率与其显著增加的晶界密度有关，晶界作为高能区域，更易于发生腐蚀。降解过程中观察到的Cu富集现象，可能与Li和Zn因其更高的电化学活性而优先溶解有关。Li⁺/Zn²⁺原子比大于1，也支持了Li优先释放（去合金化）的观点。吻合钉在体内外降解的差异，则与复杂的体内生理环境（如蛋白质吸附、组织包裹、局部pH变化等）密切相关。

综上所述，这项研究通过系统的热机械加工（热挤压、多道次室温拉拔及优化退火），成功制备出兼具高强度、良好塑性和适宜降解性能的Zn-2Cu-0.8Li可降解锌合金细丝，并证明了其制成的手术吻合钉在力学性能、体内外降解和生物安全性方面均表现出良好的应用前景。该工作不仅为开发高性能可降解吻合钉提供了一种有前途的候选材料，而且通过详尽的微观结构-性能-降解行为关联性研究，深化了对锌合金在复杂加工过程中演变规律的理解，为可降解锌合金的进一步设计和优化提供了重要的理论和实验依据。