近期，清华大学周梦然助理研究员和重庆医科大学赵维康副研究员在科爱创办的期刊Bioactive Materials上联合发表最近的研究工作：本研究设计了一种新型的Mg‑RE‑Sr合金并利用搅拌摩擦加工技术精细化调控其微观组织结构，实现了力学、降解性及生物相容性等各项性能的大幅度提升。一方面，通过FSP加工处理后的合金材料兼具细晶、基体中稀土元素高固溶以及细小析出相均匀弥散分布的微观组织特性；另一方面，加工后的合金综合性能得到了显著改善，体外腐蚀速率降低了96%，抗拉强度和延伸率分别提高了37%和166%。同时，实现了生物体内降解速率仅为0.09 mm/y的优异特性，基本满足了骨科应用中理想降解性能的要求，为临床环境中应用于骨植入材料的开发和储备提供了新的研究和发展思路。
01
生物可降解金属材料被认为是新一代医疗科技的竞争热点，其开发和应用对医疗保障、国民健康和经济发展具有重要意义。镁合金以其良好的力学强度、生物相容性及可完全降解性等优势，已成为生物医疗领域的重要候选植入材料之一。其中，镁-稀土（Mg‑RE）系合金具有优异的力学强度、可铸造性等良好的综合性能，同时，2013年WE43系镁合金已获得了欧盟CE认证的人体商用许可，是生物医用领域可应用的优选材料。但由于WE稀土系镁合金具有很强的活性，在降解过程中合金中的析出相与基体相之间的电位差会引发严重的电偶腐蚀倾向，产生降解速率过快、降解不均匀等问题，并导致力学支撑作用过早失效难以满足骨科领域植入材料所要求的服役周期。
搅拌摩擦加工（FSP）作为一种高效、节能的新型固态材料加工技术，在实现金属材料晶粒细化、析出相均匀分布以及修复材料内部缺陷等方面具有独特的优势。近年来，利用FSP加工技术在提升镁合金、铝合金等金属材料的力学和耐蚀性等方面取得了重要进展。因此若能够将FSP技术应用于生物医用植入材料的制备加工中，将为高性能生物可降解植入材料的成形制造提供新的发展思路。一方面，在垂直方向实施FSP加工可实现对生物镁合金材料微观组织的精细化调控；另一方面，通过水平方向的FSP加工可完成大面积材料的加工制备，完全能够满足生物医用植入材料临床应用的尺寸需求；本研究中针对骨科领域可降解植入镁合金降解速率快、降解不均匀的领域难题，作者将微量的金属Sr引入稀土系WE43镁合金中设计了Mg‑RE‑Sr（WEJ431）合金材料，并采用FSP技术精细化调控Mg‑RE‑Sr合金的微观组织结构。本研究筛选了不同加工转速的FSP加工参数对WEJ431材料进行加工处理（分别命名为FSP‑300, FSP‑500, FSP‑800和FSP‑1200），以对比和优化材料的综合性能。研究结果显示，FSP加工过程实现了WEJ431镁合金的晶粒细化、加速析出相的回溶，并有效促进了析出相均匀分布。FSP加工处理后的合金实现了力学性能、体内外降解性和生物相容性的大幅度提升，初步证明通过FSP加工处理后的WEJ431材料实现了接近理想服役周期的特性，为可降解镁合金植入材料在骨科领域的临床应用提供了更多的可能性。
本研究重点针对FSP加工前后合金的微观组织形态、力学性能、体内/外降解速率和生物相容性进行了详细研究，并提出了相应的降解机理，具体如下：
一、材料的微观组织特征
经过FSP加工后的WEJ431合金实现了晶粒细化、稀土元素在基体中高固溶以及析出相破碎并均匀弥散分布的微观组织特性。如图1所示，铸造态WEJ431合金表面的析出相呈现粗大的树枝状形态，FSP加工后合金的平均析出相尺寸约为0.5μm 左右，且呈现均匀弥散的分布状态。同时，加工处理后合金的晶粒尺寸从50μm细化至3μm左右（图2）。XRD结果显示（图3）FSP加工后合金的α‑Mg特征峰与铸态相比出现了显著左移的现象，说明在热机械加工过程中析出相回溶，最终稀土元素在基体中呈现高固溶的状态。
图1. WEJ431合金经过FSP加工前后的表面形貌、元素分布及析出相尺寸分布图；（a-d）铸造态WEJ431合金；（e-h）FSP‑300样品；（i-l）FSP-500样品；（i-l）FSP‑800样品；（i-l）FSP‑1200样品
图2. WEJ431合金经过FSP加工前后的IPF图
图3.WEJ431合金经过FSP加工前后的XRD谱图
二、体外降解特性
通过析氢失重测试、动电位极化曲线以及长期的阻抗谱测试对FSP加工前后的WEJ431合金样品进行监测并评估其体外降解特性。析氢测试结果显示FSP加工后的WEJ431合金的析氢量和析氢速率大幅度下降，其中FSP‑800样品经过30天长周期浸泡测试后累积析氢量仍低于1ml/cm2。类似的，与母材相比，FSP加工后合金的腐蚀电流密度及腐蚀速率也显著下降，FSP‑800材料具有最低的体外降解速率0.4 mm/y以及最低的腐蚀电流密度3.38×10-6 A/cm2，实现了最佳的降解特性。
图4. WEJ431合金经过FSP加工前后的（a, b）析氢测试、（c）腐蚀速率及（d）极化曲线测试结果
长期阻抗测试结果显示（图5），铸态WEJ431合金在长周期降解测试中降解速率快速下降，仅经过7天的降解过程后就出现了样品损坏、坍塌等恶化现象。而FSP加工后的WEJ431合金在长期体外降解过程中阻抗呈现先增加后缓慢趋于稳定的状态，表明该材料在降解的过程中形成了致密的表面膜为基体提供有效的防护作用，从而大幅度提升其耐蚀特性。
图5. （a, b）阻抗测试结果的等效电路模型；（c-f）FSP加工前后WEJ431合金的阻抗测试拟合分析的关键元件结果对比
三、生物体内降解特性
通过体外降解实验筛选具有典型特征的母材、FSP‑300和FSP‑800样品植入大鼠皮下进行长周期的生物体内降解实验，降解实验结束后采用μCT对植入材料进行扫描和三维重构。如图6所示，铸造合金在植入大鼠体内后呈现出快速的不均匀降解过程，其降解速率高达1.04 mm/y。经过FSP加工后的WEJ431合金植入大鼠体内后呈现缓慢、均匀的降解过程，FSP‑800材料的生物体内降解速率仅为0.09 mm/y，实现了优异的降解特性。
图6. （a）经过FSP加工前后的WEJ431合金经过大鼠皮下体内降解实验后植入材料的3D‑CT重构图像以及（b, c）相应的体积损失和体内降解速率测试结果
另外，通过细胞毒性、组织切片、血液和免疫组织等方面的详细监测证明所制备的合金具有良好的生物相容性，且不会对生物体产生毒性等负面危害。
图7.（a-d）与对照组、母材、FSP‑300和FSP‑800材料共培养后BMSCs的活/死细胞染色图像；（e, f）各样品的细胞存活率和死亡细胞数量对比结果
图8. BM、FSP‑300和FSP‑800样品在大鼠皮下植入7、14、30和60天后皮下组织切片的显微照片；(b)合金植入30和60天后，肝脏、肾脏和心脏器官的HE染色显微照片
四、降解机理
最后作者根据以上FSP加工前后WEJ431合金的微观组织形貌和体内外降解测试结果对材料的降解机理进行了详细分析（图9）。研究表明稀土系铸造镁合金中粗大的析出相与基体之间存在较大的电位差，在降解过程中由于电偶腐蚀而加速降解，且降解过程极不均匀。同时铸态合金在降解过程所形成的Mg(OH)2表面膜疏松多孔，难以对基体材料形成有效地保护作用，导致其降解性能难以满足服役要求。
经过FSP加工后所形成的细小、均匀的析出相能有效地抑制合金的电偶腐蚀，同时基体中固溶的大量稀土元素能够促进降解过程中快速形成致密的Y(OH)3/Mg(OH)2表面膜，能够有效抑制材料的降解速率并实现均匀的降解过程。本研究所制备的FSP‑800材料生物体内降解速率仅为0.09 mm/y，几乎是目前生物镁合金领域所能达到的最低降解速率，且材料具有良好的生物相容性。研究初步证明通过FSP加工技术对镁合金材料的微观组织结构进行精细化调控能够有效改善其降解特性，获得满足接近理想服役周期的材料，为镁合金植入材料在骨科领域的临床应用和发展带来突破性的进展。
图9. FSP加工前后WEJ431合金材料的降解机理示意图
02
第一作者
朱艺星：清华大学机械系博士后，担任Journal of Magnesium and Alloys等多个期刊审稿人。主要从事材料加工、生物镁合金设计与腐蚀性能研究；共发表SCI论文30余篇，累计引用800余次，授权发明专利1项（美国），并以第一作者身份在Corrosion Science、Journal of Magnesium and Alloys、Journal of Materials Science & Technology等期刊上发表SCI论文8篇。
通讯作者
周梦然：清华大学机械系助理研究员。一直从事高性能镁合金的固相连接/增材制造过程组织性能调控研究，对高性能镁合金的高可靠连接技术、高质量增材制造技术、大塑性变形后镁合金跨尺度组织力学性能表征等前沿科学领域具有较深入的研究。博士毕业于日本大阪大学接合科学研究所所长藤井英俊教授团队，博士毕业后于2020-2022在清华大学机械系从事博士后研究，并于2022年全职加入清华大学继续从事高性能镁合金的连接/增材制造相关工作。近年来在高性能镁合金加工等上获得国家自然科学基金青年基金和联合重点基金支持，在相关领域有影响力期刊如Acta，Bioactive Materials，JMST和JMA等发表论文30余篇，近5年被引超过500次，获发明专利授权2项。申请人因在Mg-Li合金先进连接技术工作上的突出贡献，获得了日本焊接学会优秀研究奖。
赵维康：重庆医科大学附属第一医院骨科副研究员、主治医师，担任 Bioactive Materials 等多个刊物审稿人。
主要从骨科生物材料(镁合金、高分子骨生物材料)与生物力学的医学研究。近年来以通讯作者/第一作者在 Journal of Magnesium and Alloys、Bioactive Materials、 Advanced Functional Materials 等学术期刊上发表工作 10 余篇;主持国家自然科学基金青年科学基金项目，国家博士后特别资助，重庆市重点研发课题子课题，重庆市博新人才头衔;申请中国发明专利 2 项，授权1项。
03
该研究获国家自然科学基金(52305385、U23A20541、82102571)、中国博士后面上基金(2022M710564) 和重庆市自然科学基金的资助(CSTB2022NSCQ-MSX0089)。
04
Yixing Zhu, Mengran Zhou*, Weikang Zhao*, Yingxin Geng, Yujie Chen, Han Tian, Yifan Zhou, Gaoqiang Chen, Ruizhi Wu, Yufeng Zheng, Qingyu Shi. Bioactive Materials, 41 (2024) 293-311. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2024.07.021
Bioactive Materials 创建于2016年，自2019年被SCIE检索收录以来影响因子实现跳跃式增长（IF 2019: 8.724；IF 2020: 14.593；IF 2021: 16.874；IF 2022:18.9; IF 2023: 18）；JCR materials science, biomaterials 领域国际排名连续四年第一。此外， 2020年到2023年连续四年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表一区，Top期刊；入选材料科学综合类高质量科技期刊分级目录T1区。
