专为生物医学应用设计的Mg–Li–Y合金的耐腐蚀性和细胞相容性

《Materials Chemistry and Physics》：Corrosion resistance and cytocompatibility of Mg–Li–Y alloys designed for biomedical applications

本研究评估了五种Mg-Li-Y合金在模拟生理环境中的腐蚀抵抗和细胞相容性。结果显示，LW24合金腐蚀率最低（0.77 mm/年），其腐蚀层高Y浓度增强了屏障效应；双相LW81合金未显示更高腐蚀倾向。所有合金均通过ISO 10993-5细胞相容性测试，并证实促进成骨细胞附着。

　　

扬·迪特里希（Jan Dittrich）| 埃娃·雅布隆斯卡（Eva Jablonská）| 吉日·库巴塞克（Ji?í Kubásek）| 扬·博伦（Jan Bohlen）| 弗朗蒂谢克·卢卡奇（Franti?ek Luká?）| 彼得·米纳里克（Peter Minárik）

查尔斯大学，材料物理系，Ke Karlovu 5号，12116，布拉格，捷克

摘要

本研究选取了几种不同锂（Li）和钇（Y）含量比的Mg–Li–Y合金，这些合金被考虑用于临时骨科植入物。我们评估了它们在模拟生理环境中的耐腐蚀性和细胞相容性。实验结果表明，这些合金的耐腐蚀率与其他镁合金生物植入物候选材料相当，其中性能最佳的LW24合金的耐腐蚀率为每年0.77毫米。其优异的耐腐蚀性归因于腐蚀层中较高的钇浓度，这增强了其防护效果。此外，双相结构（hcp + bcc）的LW81合金并未表现出更高的腐蚀敏感性。通过ISO标准化测试和直接接触实验验证了所有研究合金的细胞相容性，hFOB 1.19成骨细胞的成功定植也得到了荧光显微镜和扫描电子显微镜观察的证实。

引言

镁合金近年来因其作为临时骨科植入物的潜力而受到广泛研究[1] [2]。它们之所以适合这一用途，是因为镁具有生物降解性和生物相容性[3]，同时其弹性特性与人类骨骼较为接近[4]，从而减少了愈合过程中的应力屏蔽效应。此外，镁合金能够实现从降解的植入物到恢复组织的负荷传递功能[5] [6]，这种特性在文献中也得到了证实[7]，这也进一步支持了选择镁合金作为植入物的理由。

然而，纯镁并不满足生物植入物的两个关键要求：足够的机械性能和耐腐蚀性[8] [9]，因为它的强度和延展性不足[10]，且其腐蚀速率（在模拟体液中的限值为每年0.5毫米/年[9]）过高[11]。此外，镁合金的快速且可能不均匀的降解会导致植入物过早失效或产生H₂气体腔，这对周围组织有不良影响[12] [13]。因此，实际应用中通常会通过添加多种元素并对合金进行适当的热机械处理来改善其性能，这些改进基于化学成分和微观结构带来的有益效果[14] [15]。

一种能够提升机械性能的合金体系是Mg–Li–Y[16] [17]。研究表明，同时添加锂和钇可以提高镁的耐腐蚀性[18] [19]。当锂含量超过约5.7 wt%时，会形成由hcp α相和bcc β相组成的双相结构[20]。虽然这种双相结构有助于提高延展性[21]，但由于腐蚀前沿容易沿相界传播[22]，可能会降低耐腐蚀性。

近年来，基于镁的三元或四元合金在生物医学应用领域受到了较多关注。Mg–Li–Zn合金在模拟体液中的机械性能良好且耐腐蚀性强，但存在一定的细胞毒性问题[23]。Mg–Li–Al-RE合金也取得了类似的结果（尽管细胞相容性有限[24]）。另一种合金系统Mg-Li-Ca虽然细胞相容性较好，但机械性能和耐腐蚀性有所下降[25]。相比之下，Mg–Li–Y体系的合金性能更优[17] [26]。

然而，目前尚缺乏针对这些镁合金在模拟生理环境（适用于生物植入物）中的具体腐蚀行为的研究。同时，所有用于生物医学应用的材料都必须满足细胞相容性要求，但这一点在Mg–Li–Y合金的研究中尚未得到充分探讨。

因此，本研究重点探讨了几种Mg–Li–Y合金（包括单相hcp结构和双相hcp + bcc结构的合金）在模拟生理环境中的腐蚀行为和细胞相容性。材料的相关细胞相容性评估将依据ISO标准10993-5:2009[27]进行。

材料信息

材料

本研究研究了五种Mg–Li–Y合金，分别是LW22、LW24、LW42、LW44和LW81。这些合金是在保护性氩气氛围下，通过感应炉熔化商业纯度为99.96%的镁以及Mg-28.1Y和Mg–20Li母合金（按重量百分比计算）制备的。熔体在750°C下保持5分钟后，被浇铸到直径50毫米、高度120毫米的黄铜模具中，并空气冷却。各合金的最终成分见表1（镁和钇的含量）。

微观结构表征

图1展示了代表各Mg–Li–Y合金微观结构的SEM背散射电子（BSE）图像。所有合金中都含有少量明亮的、呈角状的次级相颗粒（在Z方向对比度下可见），这些颗粒随机分布在微观结构中。通过透射电子显微镜的选区衍射分析，确认这些颗粒为YH₂杂质次级相（详情请参见……）

讨论

在所有研究的合金中发现的YH₂次级相颗粒是铸造或退火过程中产生的杂质[34]。由于钇与氢的亲和力较高[35]，这些颗粒的存在可能是由于在铸造或均匀化退火过程中吸收了水蒸气所致。稀土氢化物的存在，尤其是YH₂，此前已有相关报道

结论

本研究考察了五种候选Mg–Li–Y合金在模拟体液中的腐蚀行为及其细胞相容性。

在模拟生理环境中的腐蚀速率范围为每年0.77毫米（LW24）至1.34毫米（LW42），双相结构的LW81合金的腐蚀敏感性并未高于单相结构合金。性能最佳的LW24合金的耐腐蚀性得益于……

作者贡献声明

扬·迪特里希（Jan Dittrich）：撰写初稿、数据可视化、资源准备、实验设计。埃娃·雅布隆斯卡（Eva Jablonská）：撰写、审稿与编辑、方法论制定、实验设计。吉日·库巴塞克（Ji?í Kubásek）：资源准备、实验设计。扬·博伦（Jan Bohlen）：资源准备。弗朗蒂谢克·卢卡奇（Franti?ek Luká?）：实验设计。彼得·米纳里克（Peter Minárik）：撰写、审稿与编辑、实验监督、概念框架构建。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系和个人关系：彼得·米纳里克（Peter Minárik）表示获得了捷克科学基金会的财政支持；扬·迪特里希（Jan Dittrich）表示获得了查尔斯大学资助机构的财政支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

感谢捷克科学基金会（项目编号：GA22-21122J）的财政支持。J. D. 还感谢查尔斯大学资助机构（项目编号：246423）的部分财政支持。