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

1 導讀

當骨折患者體內(nèi)的金屬固定釘能夠在骨骼愈合后"悄然消失"，當心臟支架不再需要二次手術取出——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。北京科技大學王魯寧和石章智老師團隊最新發(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，為解決當前生物材料"強度-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，甚至需要二次手術取出，給患者帶來額外痛苦和經(jīng)濟負擔。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，實現(xiàn)"治療-修復-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)氧化應激；而鋅合金憑借與骨骼愈合周期匹配的降解速率（6-12個月）、良好的力學性能（抗拉強度200-300 MPa）和優(yōu)異的生物相容性，被公認為最具臨床應用潛力的第三代可降解金屬材料。然而，鋅合金在醫(yī)療構件制造中仍面臨重大挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)鑄造工藝難以制備復雜多孔結構，3D打印技術存在成本高昂、表面質(zhì)量差的問題，而壓鑄過程中的氧化夾雜更是會導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化率不足5%，遠低于市場需求。

3 內(nèi)容來源

該研究由北京科技大學孫金嶺等完成，論文《醫(yī)用可降解Zn合金液態(tài)成形技術進展》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)成形技術在可降解鋅合金制備中的應用現(xiàn)狀，通過對比不同工藝對合金微觀組織、力學性能和降解行為的影響規(guī)律，提出了面向醫(yī)療構件的精準成形解決方案。論文特別關注了鋅合金在骨科、心血管等領域的臨床應用需求，為推動可降解金屬材料的產(chǎn)業(yè)化應用提供了重要的理論基礎和技術支撐。

4 研究亮點

這項研究的突出創(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。團隊首次提出"梯度凝固壓鑄"技術，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%，同時將降解速率波動控制在15%以內(nèi)。針對3D打印鋅合金存在的"球化效應"和"孔隙率高"問題，研究開發(fā)了"激光-電弧復合熔絲沉積"工藝，打印效率提高2倍的同時，表面粗糙度從Ra 30μm降至Ra 5μm以下。更值得關注的是，團隊發(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，使材料的屈服強度提升至250 MPa的同時，保持良好的延伸率（>15%），成功解決了生物材料"強度與塑性難以兼顧"的行業(yè)痛點。

5 研究方法

研究團隊采用"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：在壓鑄工藝中，設計正交實驗研究壓射速度（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，重點探索激光功率（100-300 W）、掃描速度（500-2000 mm/s）和層厚（20-80 μm）對成形精度和力學性能的調(diào)控機制。為全面評價材料性能，研究結合掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）等微觀分析手段，以及電化學工作站、細胞毒性測試等專業(yè)設備，從材料科學和生物學兩個維度進行表征。特別建立了"體外降解-細胞響應-動物實驗"的三級評價體系，確保研究結果與臨床應用需求緊密對接。

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，指出當前存在的三大核心矛盾：材料強度與降解速率的平衡問題、復雜構件的成形精度控制難題、以及規(guī)模化生產(chǎn)的成本瓶頸。在壓鑄技術章節(jié)，研究詳細分析了不同工藝參數(shù)對鋅合金組織缺陷的影響規(guī)律，通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，當模具溫度控制在220℃、壓射速度1.5 m/s時，鑄件的氣孔率可降低至0.3%以下。3D打印技術部分重點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性和成形性能，特別適合制備帶有精細結構的骨科植入件。論文還專門討論了表面處理技術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，還可促進成骨細胞黏附和增殖。

圖1　醫(yī)用Zn合金滲流鑄造技術路線

圖2　醫(yī)用Zn合金滲流鑄造后多孔結構支架

圖3　Zn合金薄帶連鑄技術示意圖

圖4　底部循環(huán)水冷凝固技術示意圖

圖5　定向凝固Zn-0.5Mg合金不同部位組織變化

圖6　Zn合金高壓凝固技術路線

圖7　L-PBF技術制備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 主要結論

研究得出三個關鍵發(fā)現(xiàn)：第一，液態(tài)成形技術能夠精準調(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)簡單結構植入件（如骨釘、接骨板），而3D打印技術更適合制備個性化、復雜結構構件（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合處理可同時實現(xiàn)"抗菌-抗炎-促修復"的多重生物學功能。這些發(fā)現(xiàn)為醫(yī)用可降解鋅合金的臨床轉化提供了重要的技術支撐，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)成形技術進展

本文轉載自：《特種鑄造及有色合金》