高强度Zn合金前交叉韧带重建干扰螺钉的长期体外等效研究：腐蚀机制与力学性能衰减的突破性发现

推荐：本研究针对可降解Zn合金干扰螺钉在骨隧道中长期服役性能的科学问题，通过开发Zn-0.45Mn-0.2 Mg（ZMM）合金并构建聚氨酯骨块-Hank's平衡盐溶液（HBSS）体外等效模型，首次揭示了300 MPa级Zn合金在180天浸泡中因第二相脱落导致的断裂韧性（KIC）衰减机制，发现缝隙腐蚀起源于骨隧道深处并伴随Cl?富集的特征，为骨科植入物设计提供了重要理论依据。

　　

前交叉韧带（ACL）损伤是运动医学领域最常见的关节损伤之一，传统钛合金和不锈钢干扰螺钉存在需二次手术取出的问题，而可吸收聚合物螺钉又面临机械强度快速衰减的困境。近年来，可降解锌（Zn）合金因其适中的降解速率和良好的生物相容性成为研究热点，但现有研究多聚焦于短期（≤30天）浸泡实验，且忽视了骨隧道中缝隙腐蚀对植入物性能的影响。

针对这些关键科学问题，北京科技大学材料基因工程高精尖创新中心的Bo-Yao Li、Zhang-Zhi Shi团队在《Bioactive Materials》发表了创新性研究。他们开发出屈服强度达288.3 MPa的Zn-0.45Mn-0.2 Mg（ZMM）合金，并通过构建"螺钉-聚氨酯骨块-HBSS溶液"三位一体的体外等效模型，首次实现了对300 MPa级Zn合金180天长期腐蚀行为的系统研究。

研究采用多项关键技术：通过热挤压工艺制备高强度ZMM合金螺钉；利用电子背散射衍射（EBSD）分析微观结构；采用电化学测试（包括开路电位、动电位极化曲线和电化学阻抗谱）评估腐蚀行为；通过线束电极（WBE）模拟骨隧道缝隙环境；结合扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征腐蚀产物；并系统检测了材料的抗菌性能和MC3T3-E1细胞的成骨分化能力。

3.1 微观结构与力学性能

EBSD分析显示合金中Zn晶粒沿挤压方向排列，平均尺寸2.81 μm，第二相MnZn₁₃和Mg₂Zn₁₁体积分数达9.4%。这种微观结构赋予材料初始屈服强度288.3 MPa，断后伸长率26.3%。

3.2 体外腐蚀行为

长期浸泡导致力学性能呈现三阶段衰减：前15天快速下降，15-90天趋于平缓，90天后再次加速。180天后延伸率下降70%（远高于强度30%的降幅），这是由腐蚀坑底部应力强度因子（K_I）超过材料断裂韧性（K_IC）引发的提前断裂所致。

3.3 抗菌性能

ZMM合金对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌率分别达96.2%和97.3%，其机制与Zn²⁺破坏细菌细胞膜有关。

3.4 生物相容性

25%浓度提取物培养3天后，MC3T3-E1细胞存活率达115%，且显著促进碱性磷酸酶（ALP）和I型胶原（Col-1）等成骨标志物表达。

4.1 力学性能衰减机制

有限元模拟揭示：半椭圆形腐蚀坑的a/b值随时间增大，当a=3b时坑底最大应力可达外加应力的7倍。第二相溶解导致表面层K_IC降低，而腐蚀坑使K_I升高，共同导致K_I > K_IC的断裂条件。

4.3 缝隙腐蚀机制

WBE实验证明：骨隧道内腐蚀始于深处（第9-10排电极），7天时腐蚀电流达2.1×10^?5 A/cm²。窄缝区（0.1 mm）因Cl^?富集加速腐蚀，而宽缝区（0.6 mm）腐蚀较缓。

这项研究首次揭示了可降解Zn合金在长期服役中的性能衰减机制，建立了"力学性能-腐蚀行为-生物效应"的关联模型，为开发抗延性衰减Zn合金提供了理论指导。特别值得注意的是，研究发现Mg²⁺释放可缓解Zn²⁺的细胞毒性，这为未来合金成分设计提供了重要启示。该工作推动可降解金属植入物研究从短期评价向长期服役性能评估迈进，对骨科植入器械的临床应用具有重要指导价值。