特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
傳統的骨修復使用不銹鋼或鈦螺釘和鋼板來穩定骨折。雖然有效，但這些金屬植入物通常會永久留在體內，可能會導致植入物周圍骨質流失和固定物松動等問題。為了解決這些挑戰，開發出來生物可降解的植入物，可在幫助骨愈合后溶。鋅正在成為下一代生物可降解植入物的關鍵材料。然而，鋅在承重骨科植入物中的應用主要存在以下問題：生物可降解鋅合金正逐漸成為骨科植入物的替代品，因為它們在降解時不會產生氫氣，而且鋅離子會刺激骨的形成。雖然純鋅具有生物相容性，但其低強度（<30 MPa）限制了其在承載應用中的使用。傳統的強化方法（如減小晶粒尺寸）雖然可以提高強度，但在體溫（37°C）下，超細晶Zn-Li合金會失去抗蠕變能力，超過金屬蠕變的0.4閾值。優化晶粒尺寸以平衡強度和抗蠕變能力是關鍵，但目前仍面臨挑戰。 有鑒于此，莫納什大學聶劍鋒教授等人研究表明，在保持基本結構的同時，增加微米級晶粒尺寸，可以獲得超高強度和優異耐久性的鋅合金。在這種相反的Hall-Petch效應中，主要的變形模式由原始晶粒尺寸時的晶間晶界滑動和動態再結晶轉變為增大晶粒尺寸時的晶內錐體滑移和異常孿晶。反常孿晶的作用，在這項工作中被稱為“調節孿晶”，是在垂直于外部加載方向的平面上調節改變的晶粒形狀，而眾所周知的“機械孿晶”的作用是沿外部加載方向傳遞塑性。這些稀鋅合金所達到的強度水平幾乎是由鎂合金制成的可生物降解植入物的兩倍，使它們成為目前所知的最強和最穩定的可生物降解合金，可用于制造骨固定植入物。作者發現，鋅合金的屈服強度隨晶粒尺寸增大而提高，與傳統Hall-Petch效應相反，異常孿晶現象適應相鄰晶粒形狀變化，而非僅響應外部應力。 作者發現鋅合金中存在一種特殊的“調節孿晶”，它們在垂直于壓縮方向的橫截面上形成，用于適應晶粒形狀的變化，保持相鄰晶粒的內聚力。作者證實了Zn-Mg合金及其衍生合金表現出相反的Hall-Petch現象，屈服強度隨晶粒尺寸增大而提高，且具有良好的生物相容性。作者通過增大晶粒尺寸來增強鋅合金的強度。增大晶粒尺寸后，鋅合金的強度幾乎達到了可生物降解鎂植入物的兩倍。這種增加的強度不會使合金更容易發生蠕變變形，從而提高了合金在生理條件下的穩定性。作者發現了 “調節孿晶”，能夠更好地適應相鄰晶粒的形狀變化，從而在保持合金基本結構的同時提高其塑性適應性，為理解鋅合金的變形機制提供了新的視角，為設計更強大的生物可降解植入物提供了理論支持。作者發現，通過設計晶粒尺寸和取向，可以顯著改變鋅合金的變形模式和力學性能。實驗表明，晶粒尺寸從11 μm增加到47 μm時，鋅合金的屈服強度反而提高，這與傳統的Hall-Petch關系相矛盾。細晶樣品（11 μm）在壓縮過程中主要通過晶界滑動和動態再結晶來適應變形，而粗晶樣品（47 μm）則通過晶內錐體滑移和異常孿晶來調節變形。這種異常孿晶能夠適應相鄰晶粒形狀的變化，而不僅僅是響應外部應力。此外，在低溫（類似液氮溫度）條件下，粗晶樣品的屈服強度顯著高于細晶樣品，分別為983 MPa和800 MPa。這種現象表明，晶粒尺寸的增加不僅提高了鋅合金的強度，還增強了其在低溫下的塑性變形能力。這些發現為開發高強度、高耐久性的生物可降解鋅合金提供了新的思路。 圖 Zn-0.2 wt%Mg合金不同晶粒尺寸試樣的室溫壓縮性能圖 Zn-0.2 wt% Mg合金d3試樣擠壓過程中沿擠壓方向的組織演變作者觀察到一種特殊的“調節孿晶”現象，與傳統的“機械孿晶”不同。調節孿晶在垂直于壓縮方向的橫截面上形成，適應晶粒形狀的變化，保持相鄰晶粒的內聚力，而機械孿晶則沿外部應力方向提供塑性。調節孿晶的形成獨立于外部應力的施密德因子，且僅在多晶中出現，對宏觀塑性應變無貢獻，而是對塑性變形的一種基本反應。在具有基底織構的多晶鋅合金中，由于c/a比超過√3，{0112}孿晶在沿擠壓方向的壓縮過程中不會形成，這與孿晶的極性性質和低臨界分解剪切應力（CRSS）有關。調節孿晶通過改變彈性硬的?0110?或?2110?方向為彈性軟的[0001]方向，提供塑性和彈性調節，有助于均勻分布應變，防止應力集中，從而提高延性。研究表明，調節孿晶的形成是對鄰近晶粒在塑性變形過程中施加的凈局部應力的響應，有助于協調變形，防止局部應力集中。作者發現，具有完整基底織構的Zn-Mg合金表現出相反的Hall-Petch現象，即晶粒尺寸增大時屈服強度反而提高。例如，Zn-0.2 wt% Mg合金及其衍生合金（合金B）的屈服強度超過400 MPa，且粗晶合金B的抗蠕變性能顯著優于細晶合金。此外，合金B的抗剪強度也表現出相反的Hall-Petch現象，而抗拉屈服強度和抗彎強度則未觀察到此現象。合金B的體外生物腐蝕實驗表明，其生物降解速率受生理環境影響，體內降解率與鋅合金植入物在大鼠和小鼠中的降解率相當，但比臨床批準的鎂合金骨科植入物慢。這些鋅合金的元素對人體有益，其體內降解后釋放的元素量遠低于人體每日推薦攝入量。細胞相容性試驗顯示，這些鋅合金具有良好的生物相容性，稀釋后的細胞毒性符合ISO 10993-5標準。因此，這些鋅合金是骨科應用的有希望的候選材料。 總之，本工作通過設計晶粒尺寸和取向，成功開發出一種更強、更耐用的可生物降解鋅合金。結果表明，微米級晶粒尺寸的增加顯著提升了基底織構的抗壓強度，這種反向Hall-Petch效應使變形模式從晶間滑動和動態再結晶轉變為晶內錐體滑移和罕見孿晶。與臨床批準的Mg-0.4Zn-0.1Ca鎂合金相比，該鋅合金的抗壓屈服強度、抗剪強度、抗彎強度和抗蠕變性能顯著更高。 Wu, C., Lin, F., Liu, H. et al. Stronger and coarser-grained biodegradable zinc alloys. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08415-8
