大塑性变形可生物降解镁合金及其复合材料研究进展

与传统金属生物材料相比，镁及其合金的密度和杨氏模量非常接近人类股骨皮质骨，其断裂韧性比羟基磷灰石等生物陶瓷更为显著，正作为传统骨科和心血管植入物的替代生物材料而受到关注，而如何获得最佳的生物相容性、生物降解性和机械性能的组合是目前可生物降解镁合金面临的主要问题。对于可生物降解镁合金及其复合材料，通过大应变变形提高机械性能、控制腐蚀速度并调整微观结构，是获得功能性镁基植入材料的关键。

最近，伊朗科技大学M. Sedighi教授课题组通过整理大塑性变形方法对医用镁合金和复合材料微观结构、耐腐蚀性和力学性能的影响，比较研究了可生物降解镁的不同大塑性变形方法和工艺参数，深入探讨了经过大塑性变形处理的镁基合金及其复合材料的各种性能，指明了其在生物医疗领域的应用前景和发展方向。

近年来，可生物降解镁合金植入材料正受到广泛关注并不断发展，各国已陆续开展镁基植入体的临床使用研究。2013年，欧盟首次批准将德国Syntellix公司生产的可生物吸收Mg-Y-Re-Zr合金螺钉用于拇外翻手术。2015年，韩国食品药品监督管理局通过了U&I公司制造的K-MET镁螺钉的临床应用许可。此外，中国Eontec公司研制的高纯度可降解镁骨内固定螺钉有效期可达12个月，并于2019年7月由中国国家医药产品管理局批准将其用于多中心临床试验。尽管镁合金在生物医学领域的应用已得到世界范围内一些卫生组织的认可，但其广泛应用仍然面临不少挑战，其中最重要两点：（1）镁螺钉降解速率过高使植入体周围空间形成空腔；（2）人体应用后的机械完整性降低。

目前，对生物可降解材料的研究已表明，大塑性变形方法非常适用于改善镁合金及其复合材料机械和腐蚀性能。本综述通过整理自2005年以来的100多篇有关使用大塑性变形技术来改善镁合金性能的文章，重新审视了大塑性变形过程对镁基合金及其复合材料的微观结构（表1）、力学性能（表2）和腐蚀行为（表3）的影响，重点介绍了生物相容性镁最常用的大塑性变形方法，即等通道转角挤压、高压扭转、往复挤压、多向锻造和旋锻。

大塑性变形工艺可以有效地减小晶粒尺寸，因此通常有益于提高镁基合金的机械强度和耐腐蚀性。同时，基体组织依靠高工艺温度和塑性变形产生的热量进行再结晶，对于调控变形晶粒尺寸和形态具有重要作用。热机械过程还可以显著改变镁的内应力状态、孪晶、缺陷密度和晶体取向。这些微观组织结构的演变行为，都会对材料的腐蚀速率和机械强度产生重大影响。此外，通过增加位错塞积、织构调控，以及增加塑性变形程度获得更细小的镁显微组织，可以进一步改善镁的力学性能。

表1 不同大塑性变形工艺和参数对镁合金及其复合材料微观结构的影响

表2 超细晶生物医用镁合金及其复合材料力学性能

表3 大塑性变形工艺对镁合金及其复合材料腐蚀行为的影响

整体而言，采用合适的大塑性变形技术制备具有显著基面织构和最小残余应力的超细晶微结构镁基材料，已在可生物降解材料领域显示出了良好前景，甚至有望使镁成为生物医学应用中的优质金属，因而研究并获得镁合金及其复合材料的最佳大塑性变形工艺参数尤为重要。同时，尽管大塑性变形技术能消除复合材料制备过程中的缺陷，但其在镁基生物复合材料制备过程中的应用却相对较少。此外，体内和体外生物相容性检测结果均表明了大塑性变形方法镁合金性能提升的积极作用，但仍需对材料的长期服役性能进行更精确和全面的测试。因此，未来的研究应集中于实现最佳的腐蚀和机械性能的大塑性变形工艺参数优化，开展大塑性变形过程对镁生物复合材料影响规律的研究，并获得生物条件下材料长期服役性能准确、全面的实验数据。