Mg-4Zn管材局部加速降解机制研究

关键词：Mg-4Zn管材；局部加速降解；Micro-CT

文献信息

东南大学材料科学与工程学院，江苏省先进金属材料重点实验室等团队的研究成果“Localized accelerated degradation of magnesium: A new insight into the mechanism of its biomedical degradation”（镁的局部加速降解：对其生物医用降解机制的新认识）在学术期刊《Corrosion Science》上发表。平生公司的离活一体CT（NEMO）在论文中提供了重要的镁材料的图像分析结果。

该研究的通讯作者为白晶教授。第一作者为张越博士。

文献摘要

镁的非均匀降解会给镁基植入物的应用带来潜在安全风险。尤其值得关注的是，在相对密闭环境下镁会发生局部加速降解。本文以Mg‑4Zn管材为研究对象，在人工血浆中对该现象开展研究；借助流体动力学平台、实时电化学检测、COMSOL 仿真模拟以及形貌观测等一系列精细实验，探究该现象的发生机制。研究发现：局部溶液因 pH 值过度升高造成钙离子与磷酸根离子耗竭，是诱发该局部加速降解现象的根本原因。

实验方法

本实验所用热拉制成型的 Mg‑4Zn 合金与高纯度镁（HP‑Mg，纯度＞99.99 wt.%）的管材外径 3 mm，壁厚 0.15 mm；将其切割成长度 10 mm 的圆柱试样，随后置于丙酮中超声清洗 5 min。镁板材由镁管材经激光切割后机械压平制得；对半管试样，则将完整管材沿纵向对半切开得到。所有试样先置于抛光液（1 mL 硝酸 + 1 mL 过氧化氢 + 100 mL 蒸馏水）中悬浮超声清洗 1 min，再用乙醇冲洗 5 min，最后空气干燥 2 h。

Micro-CT分析

形貌与降解产物表征，采用显微 X 射线计算机断层扫描（micro‑CT，设备型号 Nemo NMC‑200，平生医疗科技有限公司）对静态浸泡后的镁管材与板材开展三维形貌分析。X 射线发射参数设置为电压 60 kV、电流 120 μA。采用 Feldkamp‑Davis‑Kress（FDK）算法重建二维平面以及三维模型。

实验结果

图 1 (a‑c) 为 Mg‑4Zn 管材与板材在人工血浆（ABP）中静态浸泡 14 h 后的三维重建图像。Mg‑4Zn 管材管壁上可见大量孔洞，而 Mg‑4Zn 板材表面仅观察到少量微小蚀坑。如图 1 (d) 所示，Mg‑4Zn 管材的降解速率几乎是板材的4倍。高纯度镁（HP‑Mg）试样也得到类似实验结果（补充图 S4）：管材样品的降解速率显著高于板材样品。

图 1 Mg‑4Zn 合金板材与管材在人工血浆（ABP）中静态浸泡 14 h 后的三维重建图像 (a‑c) 及对应的腐蚀失重数据 (d)

本研究在人工血浆环境下，利用 Mg‑4Zn 管材重现了镁的局部加速降解现象，并分别在静态与流体动力学条件下深入探究其发生机制，得到主要结论如下：

• 在人工血浆（ABP）中静态浸泡 14 h 后，Mg‑4Zn 管材的降解速率几乎是同成分板材的 4 倍。在相对密闭的静态环境中，腐蚀引发 pH 值过度升高，造成局部溶液内钙离Ca²⁺与磷酸根PO^3-₄耗竭；进而导致试样表面富钙‑磷沉淀产物分布不均。由此生成的降解产物无法对镁基体形成有效防护。

• Mg‑4Zn 管材的降解速率随 FISS 数值增大先下降；当 FISS 大于 0.96 Pa 之后，降解速率转而上升。与之不同，Mg‑4Zn 对半管的降解速率随 FISS 数值增大持续升高。

• 当人工血浆（ABP）pH 超过 8.6 时，Mg‑4Zn 对半管的耐蚀性能急剧下降；该现象同步伴随溶液中Ca²⁺、PO^3-₄浓度降低，以及溶液中不溶沉淀物的生成。

使用设备

Micro CT (型号：NEMO) (平生医疗科技)

影像软件：Avatar（平生医疗科技）