研究简介:本研究针对短期植入物（如输尿管支架2–4周、吻合钉/组织闭合装置1–3周、胆道临时支架等）对可降解金属提出的特殊临床需求，材料应在功能期内维持较低的降解速率以保障力学支撑，随后转为逐步加快的降解以避免远期残留引发的结痂、梗阻或异物反应，而传统块体镁合金的降解往往因表面产物层累积而随时间递减，难以实现这种"先慢后快"的时间序列降解。为此，上海交通大学与东南大学、东华大学等团队合作，在 Bioactive Materials（2026, 64: 56–72）中提出并验证了异质梯度结构（HGS）策略，以生物相容的 Mg–Zn二元体系为基础，按对称成分梯度将（0 → 2 → 4 → 6 → 4 → 2 → 0 ）wt% Zn和纯Mg、Mg‑2Zn、Mg‑4Zn、Mg‑6Zn薄板叠层组装，经400 °C两道次热轧（每道次50%压下）+水淬火制备出总厚约2.5 mm的层状复合合金（记为 MZM：Mg–Mg₂Zn–Mg₄Zn–Mg₆Zn–Mg₄Zn–Mg₂Zn–Mg）。该工艺在层间获得良好冶金结合（无可见孔洞/裂纹），同时利用Zn含量升高对动态再结晶的"钉扎效应"，在法线方向上构建了成分–再结晶程度–界面特征–腐蚀产物层孔隙率的多维同步梯度：外侧纯Mg层先被消耗后暴露出的M2层（Mg‑2Zn）再结晶最充分、晶粒细小均匀且基面织构比例最高，其腐蚀产物膜最致密（界面M2|4处产物膜孔隙率仅~0.053），因而在早期发挥"可控缓释"的屏障作用，实现低初始降解速率。向内至M4/M6层则呈未完全再结晶的双峰组织、高位错密度/内应力与第二相增多，产物膜显著多孔（孔隙率可达0.3–0.4以上），微电偶效应与界面处的不均匀偏聚共同促使腐蚀更易沿 M4|6 界面切入并向深层扩展，从而驱动后续逐级加速。体外模拟体液（HBSS/D‑Hanks）中局部pH/H₂监测及RPMI‑1640中长期3D X射线显微成像表明，腐蚀从表面逐层向内推进。本研究为下一代可降解金属材料的开发提供了重要见解和科学依据。


Unisense微电极测定系统的应用


采用丹麦Unisense微电极系统，通过原位微区监测揭示了异质梯度镁合金（MZM）的降解时空演变规律。实验使用pH-10微电极（尖端10 μm）与H₂-10氢微电极，借助微操作器将探头精确定位于MZM试样表面上方50 μm处，在HBSS模拟体液中实时监测界面微环境的动态变化。研究人员采用了丹麦 Unisense A/S 出品的组合微探针：一支 pH-N/pH-10型pH微电极（尖端直径约10–25 μm，基于H⁺选择性玻璃膜电位法，量程约pH 4–10，分辨率≤0.01–0.1 pH单位）搭配 REF-NP型微型参比电极，以及一支 H₂-N/H₂-10型氢气微电极（Clark-type，尖端覆H₂选择性透气膜，对溶解态H₂具有纳摩尔级检测灵敏度），两者共同固定于一维/三维精密微操作器（micromanipulator）上，在立体显微镜视野中将探头尖端定位至MZM试样（浸泡于 HBSS 或 D-Hanks 模拟体液）表面正上方，以设定的微小步进（通常为50–100 μm）沿法线方向（距表面→溶液本体）做垂向z-向剖面扫描，由 Unisense高阻抗放大器/微传感器万用表采集电位信号并经预先用标准缓冲液/pH校准曲线转换后，实时输出表面微区的pH值，同时H₂微电极通道同步记录局部析氢浓度/信号的强弱分布。


实验结论


本研究通过异质梯度结构（HGS）策略成功开发出具有时序递增降解特性的Mg-Zn层状复合合金（MZM）。实验证实，该材料沿法线方向构建的成分、再结晶程度、界面特征及腐蚀产物层孔隙率的多维梯度，打破了传统块体镁合金“越腐蚀越慢”的固有模式，实现了从初始0.054±0.0062 mm/年至后期0.180±0.003 mm/年的可控加速降解，且全程降解速率均处于生物安全范围内。机制上，外侧低锌层（M2）因充分再结晶形成致密非晶氧化物屏障延缓初期腐蚀，而内部高锌层（M4/M6）因第二相（MgZn₂）富集、产物膜多孔及界面微电偶效应加速后期腐蚀，二者协同促成了梯度降解行为。生物安全性评估显示，MZM浸提液能促进L929细胞增殖并上调抗炎因子（IL-10）与胶原蛋白（COL1A1）表达，小鼠皮下植入后未引起肝肾毒性或系统性炎症反应，且高锌区（M6）表现出显著的M2型巨噬细胞极化，有利于炎症消退与组织修复。该研究为短期植入器械（如胆管/尿道支架、吻合钉）提供了可工程化的“降解动力学编程”新范式。

图1、（A）（i）涉及短期植入应用的代表性临床案例；（ii）适用于长期（骨科）和短期植入材料的理想降解速率曲线；（iii）与骨组织愈合阶段相关的镁基植入物降解曲线；（B）滚压过程及目标微观结构的示意图。

图2、合金的微观结构形态：（A - I）MZM（TD - ND 平面）横截面的背散射电子（BSE）图像；（i - iv）经过金相蚀刻后的 MZM 横截面的扫描电子显微镜图像；（J）MZM 内各层的微区衍射 X 射线光谱；（K）材料横截面的维氏硬度；（L）应力 - 应变曲线；（M）从应力 - 应变曲线中得出的强度和伸长率值；（N）镁和锌分布的 XRF 横截面 EDS 映射；（O）锌元素分布的热图；（P）锌元素的线扫描分布（第 1 条线）。

图3、对 MZM 横截面及界面的 EBSD 结果分析：（A）通过 EDS 元素分布图显示的锌分布情况；（B）逆极图（IPF）图；（C）各层的晶粒尺寸分布；（D）变形晶粒、亚晶粒和再结晶晶粒的占比；（E）核平均位错取向（KAM）分布图；（F）M2|4 结合面的 IPF 图；（G）M4|6 结合面的 IPF 图；（H）M2|4 和 M4|6 结合面两侧的粒度分布图；（I）M2|4 和 M4|6 结合面两侧的 KAM 分布图。

图4、A）MZM 样品和（B）铸态纯镁在间歇放电过程中的 EIS 谱图，（C）采用等效电路拟合的结果；横截面的；横断面的将样品在 3.5%（重量百分比）的氯化钠溶液中浸泡 24 小时和 96 小时后的降解分析结果如下：（D）通过 XRF 分析得到的镁和锌元素分布情况，（E）元素分布的线扫描结果，（F）横截面降解形态及 EDS 映射图。

图5、（A）暴露 2 小时、16 小时和 20 小时后样品表面附近的局部 pH 分布（用红色框突出显示了样品区域）；（B）局部氢释放分布；（C）沿样品横截面进行的线扫描的 pH 分布；（D）沿线扫描的氢释放分布；（E） MZM 的三维重建图像和总体 DR 曲线；（F）分别以 1M 和 4M 浸泡浓度培养 L929 细胞时的 CCK-8 增殖结果；（G）分别以 1M 和 4M 浸泡浓度培养的 L929 细胞的细胞骨架染色结果。


结论与展望


采用了一种异质梯度结构（HGS）策略来开发一种异质层状镁合金（MZM），其设计具有多方面特性，能够实现梯度降解特性。最终形成的成分和结构梯度包括二次相含量增加、再结晶减少、变形和非基底取向晶粒比例提高以及内部应力升高，这些共同增强了从 MZM-M2 到 MZM-M6 的局部降解敏感性。同时，产品层逐渐增加的孔隙率加速了阴极反应动力学，从而提高了整体降解速率。此外界面区域通过其独特的微观结构进一步调节了整体降解行为。特点。通过成分、微观结构、产物层以及界面特性的协同调节，MZM 展现出一种可控且逐渐增大的降解速率（在体内从 0.054 ± 0.0062 毫米/年增加到 0.180 ± 0.003 毫米/年）。这个总体降解情况仍处于生物安全范围内，并且在后期阶段还伴随着明显的抗炎反应。这项研究为设计具有精确可控降解速率特性的可生物降解植入物提供了机制上的见解和设计原则。丹麦Unisense微电极系统，通过原位微区监测揭示了异质梯度镁合金（MZM）的降解时空演变规律。该系统发挥了三重关键作用，一是空间分辨，捕捉到MZM中心高锌区（M6层）因腐蚀剧烈导致局部pH迅速升至8.80、H₂浓度达42.26 μmol/L，而向外围低锌区呈抛物线式递减，证实了降解活性的梯度分布；二是时序追踪，记录了腐蚀从“低且稳”向“高且快”转变的过程，与材料逐层消耗的机制吻合；三是机制验证，通过局部H₂析出信号与宏观失重的交叉验证，证明了M2|4界面因产物层致密（孔隙率低）抑制了微电偶腐蚀，而M4|6界面因高孔隙率加速了阴极反应。