Mg含量對可降解Zn-Ag-Mg合金的微觀組織、力學性能、耐蝕性及細胞毒性的影響

摘要：

制備了不同Mg含量的鑄態Zn-5Ag-xMg（x=0，0.5，1，1.5，質量分數/%）合金。采用X射線衍射儀、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、萬能試驗機、維氏硬度計、電化學工作站和CCK-8（Cell Counting Kit-8 試劑）等，研究了Mg含量對合金的顯微組織、力學性能、耐蝕性能和細胞毒性的影響。結果表明，Zn-5Ag合金的第二相為ε-AgZn₃，而Mg的加入細化了合金的晶粒并新生成了Mg₂Zn₁₁相。隨著Mg含量的增加，合金的抗壓屈服強度從218 MPa提高到309 MPa，維氏硬度從71.4提高到131.9。電化學測試和體外浸泡實驗表明，由于Mg含量的增加導致合金的耐蝕性能下降，體外降解速率由0.08 mm/a提高到0.16 mm/a。細胞毒性結果表明，Mg的添加可以提高小鼠胚胎成骨細胞（mouse embryonic osteoblasts cells，MC3T3-E1）的活力，所有合金表現出良好的生物相容性。

關鍵詞：鋅合金；微觀組織；力學性能；腐蝕行為；細胞毒性

中圖分類號：TG 146.1 " " " " " "文獻標志碼：A

Effect of Mg content on the microstructure， mechanical

properties， corrosion resistance， and cytotoxicity of degradable

Zn-Ag-Mg alloys

LIANG Zhenyu， " " "HE Meifeng， " " "WANG Peng

（School of Materials and Chemistry， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

As-cast Zn-5Ag-xMg（x"= 0， 0.5， 1， 1.5， mass fraction/%） alloys with different magnesium contents were prepared. The effect of Mg content on the microstructure， mechanical properties， corrosion resistance， and cytotoxicity of the alloys were investigated by X-ray diffractometer， optical microscope， scanning electron microscope， universal testing machine， Vickers hardness tester， electrochemical workstation， and cell counting Kit-8. The results show that the second phase in the Zn-5Ag alloy is ε-AgZn₃， and the addition of Mg refines the grain size of the alloy， and generates the Mg₂Zn₁₁"phase. With the increase of Mg content， the compressive yield strength of the alloy increases from 218 MPa to 309 MPa， and Vickers hardness increases from 71.4 to 131.9. Electrochemical testing and in vitro immersion experiments suggest that the increase of Mg content leads to the decrease of corrosion resistance， the in vitro degradation rate increases from 0.08 mm/a to 0.16 mm/a. Cytotoxicity results indicate that the addition of Mg enhance the viability of mouse embryonic osteoblasts cells （MC3T3-E1）， indicating that all the alloys show good biocompatibility.

Keywords： zinc alloys; microstructure; mechanical properties; corrosion behavior; cytotoxicity

鋅（Zn）及其合金因其卓越的力學性能、良好的耐蝕性和生物相容性而成為新型醫用可降解金屬材料，近年來備受研究者的關注^[1-2]。與鎂（Mg）和鐵（Fe）相比，Zn的標準電極電位為?0.76 V，介于Mg（?2.37 V）和Fe（?0.44 V）之間，具有適中的降解速率^[3]；在降解過程中，Zn不會產生氫氣（H₂），從而減少了對周圍組織的炎癥刺激^[4]；同時，Zn在人體生命代謝中起著至關重要的作用^[5]，其降解產物能夠被人體完全吸收^[6]。當前，關于鋅合金作為可降解材料已有不少的研究。Wang等^[7]在不同冷卻速度下鑄造了Zn-Mg合金，系統地研究了其力學性能和體外降解行為。Bowen等^[8]通過在大鼠腹主動脈中植入純Zn絲進行研究，發現Zn絲具有良好的腐蝕行為和生物相容性。Yang等^[9]研究了純Zn支架在兔血管中的降解行為，發現降解后的純Zn支架周圍未見明顯的組織炎癥，血栓形成及內膜增生。

盡管Zn作為醫用可降解材料具有許多優點，但在實際應用中仍然存在一些限制。例如，純Zn的力學性能較差，抗拉強度為18 MPa，伸長率僅為0.32%，難以滿足復雜的臨床使用需求^[10]。為了解決這一問題，研究人員通常采用合金化策略，向純Zn中添加Ag、Al、Cu和Mg等金屬元素^[11]，或者進行熱機械加工^[12]，以獲得綜合性能優異的鋅合金。研究^[13]表明，在Zn中添加適量的Ag可以通過富集η-Zn相、細化晶粒、并生成ε-AgZn₃相來改善合金的力學性能。同時，Ag^＋的釋放還有助于減少因感染而引起的組織并發癥。Mg作為人體所需的營養元素，可以改善鋅合金的生物相容性。Mg在Zn中的溶解度相對較低，添加Mg后易產生Mg₂Zn₁₁相，有助于提高合金的力學性能^[14]。因此，將Mg作為合金化元素，以進一步優化Zn-Ag二元合金的性能。

考慮到Zn-Ag二元合金的優點以及Mg的合金化作用，本實驗將不同含量的Mg添加到鑄態Zn-5Ag合金中，研究Mg對合金的微觀組織、力學性能、耐蝕性能和細胞毒性的影響。

1 " "試驗材料與方法

1.1 " "材料的制備

Zn-5Ag-xMg（x"= 0，0.5，1，1.5，質量分數/%）合金由商業純Zn（質量分數為99.9%）、純Ag（質量分數為99.5%）和Zn-50Mg中間合金在坩堝式電阻爐中制備而成。首先，將純Zn和純Ag加入坩堝中熔化，然后加入Zn-50Mg中間合金，使用石墨棒攪拌以確保合金的充分混合。待合金完全熔化后再次攪拌，保溫一段時間后迅速澆鑄到鋼模中，形成＼begin{document}$＼phi $＼end{document}20 mm×100 mm的圓柱形棒材。將所得的棒材在300 ℃下進行2 h的固溶處理，水淬。最后，將棒材切割成適當尺寸的樣品，經打磨和拋光后備用。

1.2"微觀組織表征

采用D8 Advanced X射線衍射儀（X-ray diffractometer，XRD）對樣品進行物相分析，掃描角度2θ為20°～90°，掃描速度為5 （°）/min。使用體積分數為10%的鹽酸酒精溶液，對樣品表面侵蝕10 s，然后在金相顯微鏡（optical microscope， OM）下觀察樣品的顯微組織。

1.3"力學性能測試

使用 Zwick/Roell Z050 kN 萬能試驗機對合金進行壓縮性能測試。壓縮樣品的尺寸為? 5 mm×7.5 mm，壓縮速率為 1 mm/min。采用維氏硬度計對合金的硬度進行測試，每個樣品選取 10個點進行測試，取平均值。

1.4"電化學性能評估

采用CHI660E電化學工作站，在三電極體系和模擬體液（simulated body fluid， SBF）中，對樣品進行電化學性能測試。首先對樣品進行30 min的開路電壓測試，待穩定之后，進行電化學阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy， EIS）測試，頻率范圍為0.1 Hz～100 kHz。最后在?300～300 mV，以1 mV/s的掃描速率進行極化曲線測試，使用Tafel外推法計算腐蝕電位（E_corr）、腐蝕電流密度（I_corr）。

1.5"體外浸泡實驗

將樣品以1 cm²比40 mL的表面積與體積比置于溫度為（37.0±0.5） ℃的SBF中浸泡，經過28 d后將樣品取出。使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察腐蝕產物與去除腐蝕產物的樣品表面形貌。最后，計算樣品的降解速率C_R（mm/a）：

式中：ΔW為浸泡前后樣品的質量變化；A為樣品暴露的面積；t為樣品浸泡時間。

1.6"細胞毒性實驗

采用CCK-8法測定MC3T3-E1小鼠胚胎成骨細胞在不同時間段（24、72、120 h）的活力。將消毒后的各合金樣品加入到含10%胎牛血清（體積分數）的α-MEM培養基中，并在細胞培養箱中培養72 h。培養完成后取出培養基，將制備的浸提液稀釋9倍后備用。將細胞密度為2×10⁴/mL的MC3T3-E1細胞懸浮液接種至48孔板中，置于細胞培養箱中分別培養24、72、120 h。培養完成后，去除原培養基，將實驗組每孔加入100 μL不同合金的浸提液，對照組則換為新鮮的培養基。之后，向每孔中加入10 μL的10%CCK-8（體積分數）培養基的混合物，并繼續培養2 h。最后，取適量上清液，使用酶標儀在波長為450 nm處測量其吸光度（OD）。細胞相對活力（RGR）由以下公式計算：

2 " "結果與討論

2.1 " "Zn-Ag-Mg 合金的微觀組織

圖1為不同Mg含量的Zn-5Ag-xMg合金的OM圖。Zn-5Ag合金主要由初生η-Zn基體和隨機分布在晶界與晶粒內部的枝晶狀第二相組成。從圖1中可以看到，在添加Mg后，晶界附近形成片層狀第二相，并且隨著Mg含量的增加，體積分數逐漸增大。值得注意的是，合金的晶粒尺寸逐漸減小，同時枝晶狀第二相的形成受到抑制，這可能是由于顆粒狀第二相在凝固過程中優先在晶界處析出，阻礙了枝晶的生長，使合金組織得到細化。

為了進一步確定合金的相組成，對樣品進行了XRD分析，圖2展示了Zn-5Ag-"xMg合金相應的XRD譜圖。在XRD譜圖中，觀察到了η-Zn相、ε-AgZn₃相和Mg₂Zn₁₁相的衍射峰，由于譜圖中未出現其他新生成的相，可以判斷Ag和Mg之間沒有相互作用。Zn-5Ag合金主要由η-Zn相和ε-AgZn₃相組成。Ag在Zn中的固溶度為3%（質量分數）^[15]，當Ag含量較多時會析出第二相。因此，可以判斷枝晶狀第二相為ε-AgZn₃相，其形貌與文獻[16]的研究結果一致。在添加Mg后出現了Mg₂Zn₁₁相的衍射峰，這是因為Mg在Zn中的固溶度很低，質量分數約為0.1%^[17]。合金中加入的Mg，少量以固溶體的形式溶解在Zn基體中，而大部分與Zn結合形成金屬化合物Mg₂Zn₁₁相。根據Zn-Mg合金相圖^[17]，合金在凝固過程中發生共晶反應，析出Mg₂Zn₁₁相和Zn。Mg含量的增加導致第二相的體積分數逐漸增加，Mg₂Zn₁₁相的衍射峰強度變強。結合圖1可以推斷，層片狀第二相成分為Mg₂Zn₁₁，其形貌與Zn-Mg合金的相關研究結果一致^[14]。

2.2 " "力學性能

Zn-5Ag-"xMg合金的力學性能如圖3所示?？梢杂^察到，隨著Mg含量的增加，合金的壓縮屈服強度和維氏硬度呈上升趨勢。從圖3的壓縮應力?應變曲線中可以看出，各合金未出現壓縮斷裂點，表現出良好的壓縮變形能力。Zn-5Ag合金的屈服強度和維氏硬度分別為218 MPa和71.4。在添加質量分數為0.5%的Mg后，合金的屈服強度和維氏硬度顯著增加，分別提高18%和46%，達到258 MPa和104.7。添加質量分數為1%的Mg后，合金的屈服強度和維氏硬度分別為274 MPa和109.7。添加質量分數為1.5%的Mg后，合金的屈服強度和維氏硬度達到最大值，分別為309 MPa和131.9。結果表明，Mg的含量會對合金的屈服強度和維氏硬度產生影響，這可能歸因于第二相的形成以及伴隨的晶粒細化、彌散強化的共同作用^[14]。一方面，Mg的加入使晶粒逐漸細化，晶界數量的增加導致對位錯的阻礙加強。另一方面，由于合金中生成了大量細小彌散分布的硬脆相Mg₂Zn₁₁，在變形過程中對位錯的滑移具有阻礙作用，導致位錯堆積，因此提升了合金的強度與硬度。此外，由于Mg在Zn中較低的固溶度，可以認為合金中的含Mg固溶體對合金力學性能的影響很小。

2.3"腐蝕行為

通過電化學測試和體外浸泡實驗，對Zn-5Ag-xMg合金的腐蝕行為進行了評價。從圖4的極化曲線中可以看出，Zn-5Ag-xMg合金陰極側變化大致相同，陽極側具有明顯的鈍化區，表明合金表面形成了保護膜，延緩了基底金屬的腐蝕過程。隨著Mg的加入，各合金的I_corr逐漸變大，保護膜的致密性變差，保護性能逐漸減弱。計算得出的電化學參數如表1所示，含Mg合金的E_corr表現出更大的負值，并且I_corr依次增大，當Mg的質量分數為1.5%時，E_corr和I_corr分別為?1.177 V和22.356 9 μA/cm2，更傾向于腐蝕。EIS圖以及擬合的等效電路圖模型如圖5所示。從圖5（b）中可以看出，容抗弧隨著Mg含量的增加呈現出變小的趨勢，表明合金的耐蝕性能變差。在等效電路圖中，R_s為SBF溶液電阻，R_f為腐蝕產物膜電阻，R_ct為電荷轉移電阻，常相位元件CPE_f為腐蝕產物膜的電容，CPE_dl為金屬基底與溶液界面處的雙層電容，使用常相位元件可以更好地對腐蝕過程進行擬合分析^[18]，相關擬合數據如表2所示。與Zn-5Ag合金相比，Zn-5Ag-xMg合金的R_ct值更低，表明合金表面的電荷轉移速率較快，這可能是由于合金中存在較多的富Mg相，加快了電偶腐蝕的發生。同時可以發現，Zn-5Ag合金的R_f值最大，表明合金表面可能更容易形成較厚或完整的腐蝕產物膜，從而延緩腐蝕的進程。電化學實驗結果表明，加入適量的Mg會導致合金的耐蝕性能下降。

Zn-5Ag-xMg合金在SBF溶液中浸泡后的降解速率如圖6所示。Zn-5Ag合金的降解速率最低，為0.08 mm/a，隨著Mg含量的增加，合金的腐蝕速率逐漸增大，當添加Mg的質量分數為1.5%時，降解速率最快，為0.16 mm/a，這與電化學實驗的測試結果一致。

圖7為Zn-5Ag-xMg合金在SBF溶液中浸泡后的腐蝕產物形貌。可觀察到合金表面沉淀了大量的腐蝕產物。對腐蝕產物進行能譜（energy disperse spectroscopy， EDS）分析，如表3所示。由表3可知，樣品中元素主要由C、O、Mg、P、Cl、Ca和Zn組成。各合金腐蝕產物的元素原子占比大致相同，其中C、O、P、Zn的含量較高，推測腐蝕產物的成分^[19]可能為Zn/MgCO₃、Zn（OH）₂、Zn₅（OH）₈Cl₂·H₂O、Ca₃（PO₄）₂、Zn₃（PO₄）₂。

圖8為Zn-5Ag-xMg合金表面去除腐蝕產物后的SEM圖，可以觀察到大小不同的腐蝕凹坑隨機分布在合金表面。從圖8（b）～8（d）中可以看出，含Mg合金為均勻腐蝕，并且隨著Mg含量的增加，腐蝕程度加深。Zn-5Ag-1Mg合金中出現直徑約為50 μm的腐蝕坑；Zn-5Ag-1.5Mg合金中出現較為嚴重的局部腐蝕區域。通常，合金的耐蝕性主要受微觀組織、晶粒大小、成分、第二相組成等因素的影響。在Zn-5Ag合金中，由于ε-AgZn₃相與Zn基體具有不同的電極電勢，其中ε-AgZn₃相充當陰極位點，Zn基體則充當陽極位點，兩者組成了微電池，導致Zn基體逐漸溶解^[20]。含Mg的合金中，Mg₂Zn₁₁相具有更強的電負性^[21]，在腐蝕過程中充當陽極位點，相較于Zn基體溶解速度更快，同時大量存在的Mg₂Zn₁₁相彌散分布在晶界附近，導致腐蝕過程較為均勻，并且逐步發展。Zn-5Ag-1.5Mg合金中存在較多的Mg₂Zn₁₁相，因此腐蝕情況最為嚴重。

2.4"細胞毒性

圖9顯示了不同時間段，MC3T3-E1細胞在各合金浸提液中培養后的細胞活力。在培養初期，Zn-5Ag合金的細胞活力最高，這可能是由于合金降解過程中，局部存在濃度較高的Zn²⁺抑制了細胞的增殖^[19]。隨著培養時間的延長，細胞逐漸對Zn²⁺產生了耐受性，此時存在的Zn²⁺和Mg²⁺促進了細胞的生長，細胞活力逐漸增加。結果表明，各組細胞活力均大于75%，添加不同Mg含量的合金具有良好的生物相容性。盡管有研究表明Ag⁺具有一定的毒性^[22]，但經稀釋后的浸提液中Ag⁺濃度較低，因此對細胞毒性影響較小。

3 " "結 論

本文研究了Mg含量對可降解Zn-5Ag-xMg合金性能的影響，結論如下：

（1）Zn-5Ag合金主要由η-Zn和ε-AgZn₃相組成。當Mg的質量分數為0.5%～1.5%時，合金新生成了Mg₂Zn₁₁相，Mg具有細化晶粒的作用。

（2）Mg的加入可以改善合金的力學性能，這歸因于Mg₂Zn₁₁相伴隨的細晶強化與彌散強化的共同作用。Zn-5Ag-1.5Mg合金表現出最佳的力學性能，抗壓屈服強度為309 MPa，維氏硬度為131.9。

（3）Mg的存在會加速合金的腐蝕。這主要是因為Mg₂Zn₁₁相與ε-AgZn₃相和Zn基體之間存在原電池效應。Zn-5Ag-1.5Mg合金的降解速率最快，為0.16 mm/a。

（4）體外細胞毒性實驗結果表明，Zn-5Ag-xMg合金對MC3T3-E1小鼠胚胎成骨細胞具有良好的生物相容性，Mg的添加有利于促進細胞的生長。

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（編輯：畢莉明）