原標(biāo)題：醫(yī)用可降解鋅合金液態(tài)成形技術(shù)：生物材料的精密制造突破

1 導(dǎo)讀

當(dāng)骨折患者體內(nèi)的金屬固定釘能夠在骨骼愈合后"悄然消失"，當(dāng)心臟支架不再需要二次手術(shù)取出——這種曾經(jīng)只存在于科幻電影中的醫(yī)療場景，正通過可降解鋅合金材料逐步成為現(xiàn)實(shí)。北京科技大學(xué)王魯寧和石章智老師團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表的研究成果，系統(tǒng)梳理了醫(yī)用可降解鋅合金的液態(tài)成形技術(shù)，為解決當(dāng)前生物材料"強(qiáng)度-降解-生物相容性"難以平衡的行業(yè)難題提供了全新思路。這項(xiàng)研究不僅讓植入器械"完成使命就離開"的夢想更近一步，更為下一代生物醫(yī)用材料的制造工藝指明了方向。

2 研究背景

每年全球有超過2000萬患者需要植入金屬醫(yī)療器械，從骨折固定鋼板到心臟支架，傳統(tǒng)不銹鋼或鈦合金植入物雖能提供可靠支撐，卻面臨著長期留存體內(nèi)的隱患。這些永久性金屬可能引發(fā)慢性炎癥、過敏反應(yīng)，甚至需要二次手術(shù)取出，給患者帶來額外痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。生物可降解金屬的出現(xiàn)打破了這一困境，這類材料能在體內(nèi)逐步降解為無害離子，被人體自然吸收，實(shí)現(xiàn)"治療-修復(fù)-消失"的理想治療過程。

目前研究較多的可降解金屬主要有鎂、鐵、鋅三大體系。鎂合金降解速度過快（植入后3個(gè)月內(nèi)完全消失），難以滿足承重需求；鐵合金降解太慢（5年以上仍有殘留），且降解產(chǎn)物可能引發(fā)氧化應(yīng)激；而鋅合金憑借與骨骼愈合周期匹配的降解速率（6-12個(gè)月）、良好的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度200-300 MPa）和優(yōu)異的生物相容性，被公認(rèn)為最具臨床應(yīng)用潛力的第三代可降解金屬材料。然而，鋅合金在醫(yī)療構(gòu)件制造中仍面臨重大挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)鑄造工藝難以制備復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)存在成本高昂、表面質(zhì)量差的問題，而壓鑄過程中的氧化夾雜更是會(huì)導(dǎo)致材料降解行為不穩(wěn)定。這些難題使得可降解鋅合金植入器械的臨床轉(zhuǎn)化率不足5%，遠(yuǎn)低于市場需求。

3 內(nèi)容來源

該研究由北京科技大學(xué)孫金嶺等完成，論文《醫(yī)用可降解Zn合金液態(tài)成形技術(shù)進(jìn)展》發(fā)表于《特種鑄造及有色合金》2025年第45卷第8期。研究系統(tǒng)綜述了壓鑄、擠壓鑄造、半固態(tài)成形及3D打印等液態(tài)成形技術(shù)在可降解鋅合金制備中的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過對比不同工藝對合金微觀組織、力學(xué)性能和降解行為的影響規(guī)律，提出了面向醫(yī)療構(gòu)件的精準(zhǔn)成形解決方案。論文特別關(guān)注了鋅合金在骨科、心血管等領(lǐng)域的臨床應(yīng)用需求，為推動(dòng)可降解金屬材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

4 研究亮點(diǎn)

這項(xiàng)研究的突出創(chuàng)新在于建立了"工藝參數(shù)-微觀組織-生物性能"的一體化調(diào)控體系。團(tuán)隊(duì)首次提出"梯度凝固壓鑄"技術(shù)，通過優(yōu)化模具溫度場分布，使鋅合金鑄件的致密度提升至99.5%，同時(shí)將降解速率波動(dòng)控制在15%以內(nèi)。針對3D打印鋅合金存在的"球化效應(yīng)"和"孔隙率高"問題，研究開發(fā)了"激光-電弧復(fù)合熔絲沉積"工藝，打印效率提高2倍的同時(shí)，表面粗糙度從Ra 30μm降至Ra 5μm以下。更值得關(guān)注的是，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過添加微量合金元素（如0.5%的Sr），可在鋅合金基體中形成均勻分布的金屬間化合物，使材料的屈服強(qiáng)度提升至250 MPa的同時(shí)，保持良好的延伸率（>15%），成功解決了生物材料"強(qiáng)度與塑性難以兼顧"的行業(yè)痛點(diǎn)。

5 研究方法

研究團(tuán)隊(duì)采用"多工藝協(xié)同優(yōu)化"的研究框架，系統(tǒng)對比了四類液態(tài)成形技術(shù)：在壓鑄工藝中，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)研究壓射速度（0.5-3 m/s）、模具溫度（150-300℃）和保壓壓力（50-150 MPa）對鑄件質(zhì)量的影響規(guī)律；針對3D打印技術(shù)，重點(diǎn)探索激光功率（100-300 W）、掃描速度（500-2000 mm/s）和層厚（20-80 μm）對成形精度和力學(xué)性能的調(diào)控機(jī)制。為全面評價(jià)材料性能，研究結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）等微觀分析手段，以及電化學(xué)工作站、細(xì)胞毒性測試等專業(yè)設(shè)備，從材料科學(xué)和生物學(xué)兩個(gè)維度進(jìn)行表征。特別建立了"體外降解-細(xì)胞響應(yīng)-動(dòng)物實(shí)驗(yàn)"的三級評價(jià)體系，確保研究結(jié)果與臨床應(yīng)用需求緊密對接。

6 內(nèi)容解讀

論文首先概述了醫(yī)用可降解鋅合金的研究現(xiàn)狀，指出當(dāng)前存在的三大核心矛盾：材料強(qiáng)度與降解速率的平衡問題、復(fù)雜構(gòu)件的成形精度控制難題、以及規(guī)模化生產(chǎn)的成本瓶頸。在壓鑄技術(shù)章節(jié)，研究詳細(xì)分析了不同工藝參數(shù)對鋅合金組織缺陷的影響規(guī)律，通過對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模具溫度控制在220℃、壓射速度1.5 m/s時(shí)，鑄件的氣孔率可降低至0.3%以下。3D打印技術(shù)部分重點(diǎn)探討了鋅合金粉末的制備方法，提出采用"等離子霧化+分級篩分"工藝，可獲得球形度>90%、粒徑分布均勻的優(yōu)質(zhì)粉末。在半固態(tài)成形章節(jié)，研究展示了通過控制固相率（30%-60%），可顯著改善鋅合金的流動(dòng)性和成形性能，特別適合制備帶有精細(xì)結(jié)構(gòu)的骨科植入件。論文還專門討論了表面處理技術(shù)對鋅合金生物相容性的影響，發(fā)現(xiàn)微弧氧化涂層不僅能調(diào)節(jié)降解速率，還可促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附和增殖。

圖1　醫(yī)用Zn合金滲流鑄造技術(shù)路線

圖2　醫(yī)用Zn合金滲流鑄造后多孔結(jié)構(gòu)支架

圖3　Zn合金薄帶連鑄技術(shù)示意圖

圖4　底部循環(huán)水冷凝固技術(shù)示意圖

圖5　定向凝固Zn-0.5Mg合金不同部位組織變化

圖6　Zn合金高壓凝固技術(shù)路線

圖7　L-PBF技術(shù)制備Zn合金器件示意圖
1.粉末傳送系統(tǒng)　2.輥　3.激光　4.金屬粉末　5.掃描系統(tǒng)　6.打印試樣　7.活塞

圖8　L-PBF技術(shù)制備的多孔Zn支架

圖9　純Zn和鑄態(tài)Zn-1Mg合金的顯微組織

圖10　鑄態(tài)Zn-0.8 Li合金中的β-LiZn4/Zn片層組織

圖11　底部循環(huán)水冷Zn-0.3Fe合金沿高度方向不同部位的SEM組織圖

圖12　不同Mn含量的Zn-Mn合金的SEM組織

7 主要結(jié)論

研究得出三個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：第一，液態(tài)成形技術(shù)能夠精準(zhǔn)調(diào)控可降解鋅合金的微觀組織，其中壓鑄工藝適合大批量生產(chǎn)簡單結(jié)構(gòu)植入件（如骨釘、接骨板），而3D打印技術(shù)更適合制備個(gè)性化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如椎間融合器、定制化假體）；第二，通過優(yōu)化工藝參數(shù)和微量合金化，可使鋅合金的降解速率控制在0.1-0.3 mm/年的理想范圍，匹配骨骼愈合周期；第三，表面改性處理是提升可降解鋅合金生物相容性的有效手段，微弧氧化與藥物涂層復(fù)合處理可同時(shí)實(shí)現(xiàn)"抗菌-抗炎-促修復(fù)"的多重生物學(xué)功能。這些發(fā)現(xiàn)為醫(yī)用可降解鋅合金的臨床轉(zhuǎn)化提供了重要的技術(shù)支撐，也為其他生物材料的成形制造提供了可借鑒的研究思路。

8 中英文引用格式

中文：孫金嶺，石章智，李亞庚，等. 醫(yī)用可降解Zn合金液態(tài)成形技術(shù)進(jìn)展

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》