可降解Zn-Li合金吻合釘?shù)淖匀粫r效與降解機制研究

摘要：

作為力學性能良好，降解速率適中的可降解金屬，Zn基合金的應用前景十分廣闊。研究了自然時效對Zn-Li合金性能的影響以及Zn-Li合金吻合釘?shù)捏w外降解機制。通過拉伸試驗和電化學試驗分析時效時間對Zn-Li合金絲力學性能和耐蝕性的影響。采用浸泡實驗，根據(jù)吻合釘質量變化分析不同模擬液對Zn-Li吻合釘降解速率的影響，采用掃描電子顯微鏡分析Zn-Li吻合釘不同部位的降解模式。結果表明，時效2.0 a的Zn-Li合金絲比時效1.0 a的拉伸強度低43.86 MPa，伸長率下降24.17%，腐蝕電勢由?1.07 V下降至?1.12 V，腐蝕電流密度增加13%。Zn-Li吻合釘在模擬體液中降解速率最大，釘腳的微電偶腐蝕為最嚴重的腐蝕形式。

關鍵詞：生物醫(yī)用材料；吻合釘；自然時效；體外降解；生物可降解金屬

中圖分類號：TG 146 " " " " " "文獻標志碼：A

Research on natural aging and degradation mechanism of

degradable Zn-Li alloy staple

DONG Xu1，GENG Fang2，MA Fengcang1，LI Wei1，ZHANG Ke1

（1. School of Materials and Chemistry， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;

2. Medtronic （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201100， China）

Abstract：As biodegradable metals with good mechanical properties and moderate degradation rate， Zn-based alloys have broad application prospects. The effect of natural aging on the properties of Zn-Li alloy and the in vitro degradation mechanism of Zn-Li alloy staple were studied. The effect of aging time on the mechanical properties and corrosion resistance of Zn-Li alloy wire were analyzed by tensile test and electrochemical test. Immersion test was used to analyze the effect of different simulation solutions on the degradation rate of Zn-Li alloy staple based on the weight change of the staple， and the degradation modes of different parts in Zn-Li alloy staple was analyzed by scanning electron microscope. The results show that the ultimate tensile strength of the wire aged for 2.0 a is 43.86 MPa lower than that of the wire aged for 1.0 a. The elongation decreases by 24.17%， the corrosion potential decreases from ?1.07 V to ?1.12 V， and the corrosion current density increases by 13%. The degradation rate of Zn-Li alloy staple is the highest in simulated body fluid， and the micro-galvanic corrosion of staple foot is the most serious corrosion type.

Keywords： biomedical materials; surgical staple; natural aging; in vitro degradation; biodegradable metals

胃腸吻合手術中，吻合釘廣泛用于胃腸道的愈合重建^[1-2]。當前市面上所用Ti吻合釘在人體內長期存在易引起免疫反應，可在人體內緩慢降解的Zn有望替代Ti，起到減輕病痛的作用。

在吻合釘材料研究方面，王思逸等^[3]總結了Ti基合金的優(yōu)缺點，提出吻合釘在人體長期存在會提高形成異物狀肉芽腫的風險，會導致術后吻合口狹窄；Ti及鈦合金的X射線吸收系數(shù)較高，影響后續(xù)CT檢查；介紹了Zn的加入提高了Mg-6Zn合金吻合釘?shù)膹姸取５啾扔阡\合金吻合釘，Mg-6Zn合金吻合釘依然存在耐腐蝕性差的問題。Mg-6Zn合金的快速腐蝕造成環(huán)境pH升高，不利于腸上皮細胞周期循環(huán)。王嘯虎等^[4]使用高純Mg在新西蘭兔體內進行腸吻合術，雖然吻合口未出現(xiàn)明顯膿腫和破漏，但吻合釘在第二周已有脫落，存在提前失效的風險。在可降解Zn基材料的研究方面，Drelich等^[5-6]將Zn絲植入大鼠的腹主動脈，結果顯示在Zn絲降解的過程中伴隨著組織修復，體現(xiàn)了Zn作為可降解金屬的潛力。目前對該材料的研究仍在起步階段，其應用主要在血管支架^[7-10]和骨科植入物^[11-14]等方面，關于吻合釘?shù)难芯枯^為少見。鄭玉峰等^[15]在豬體內進行了Zn-Li-Mn合金吻合釘植入，實驗結果證明該吻合釘具有良好的生物相容性，但其對于吻合釘?shù)慕到鈾C制未進行深入研究。

針對市面上Ti基吻合釘不可降解，創(chuàng)新型Mg基吻合釘耐腐蝕性差的問題，本文研究了Zn-Li合金吻合釘?shù)淖匀粫r效對材料力學性能、耐蝕性能的影響，表征新型可降解Zn-Li吻合釘在模擬液中的降解行為，探究Zn-Li合金吻合釘?shù)慕到鈾C制，為后續(xù)Zn基生物醫(yī)用可降解吻合釘?shù)纳钊胙芯亢痛笠?guī)模應用提供數(shù)據(jù)積累。

1 " "實 驗

1.1 " "實驗試劑和儀器

實驗試劑：磷酸二氫鉀、氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇、模擬體液（simulated body fluid， SBF）、Hanks平衡鹽溶液（Hanks’ balanced salt solution， HBSS）、模擬腸液（simulated intestinal fluid， SIF）。

實驗儀器：電化學工作站、電子天平、萬能材料試驗機、恒溫恒濕箱、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、能譜儀（energy dispersives pectroscopy， EDS）。

1.2"金屬絲與吻合釘?shù)闹苽?/p>

Zn-Li合金錠經(jīng)熱擠壓及冷拔工序后被制備成直徑為0.3 mm的金屬絲，金屬絲經(jīng)變形及裁切后被制備成吻合釘。為研究自然時效對Zn-Li合金力學性能的影響，取Zn-Li合金絲若干在干燥室溫環(huán)境中放置1、1.5、2 a。

1.3"模擬人工腸液的制備

依照中國藥典，取6.8 g磷酸二氫鉀，加入250 mL水使其溶解，加入77 mL的0.2 mol/L的氫氧化鈉和500 mL水，再加入10 g胰酶，溶解后用0.2 mol/L的氫氧化鈉溶液或0.2 mol/L的鹽酸調節(jié)pH至6.8±0.1，再加水稀釋至1 000 mL備用。

1.4力學性能測試

拉伸實驗依照ASTM-E8標準，將3種時效時間的Zn-Li合金絲以原始標距為25 mm，拉伸速率為10 mm/min的參數(shù)在萬能材料試驗機上進行拉伸測試。

1.5"電化學測試

截取3種時效時間的Zn-Li合金絲作為工作電極，電解液為模擬體液，將Zn-Li合金絲浸入液體的長度控制在10 mm。飽和甘汞電極和Pt電極分別作為參比電極和對電極，組成三電極系統(tǒng)。測試中開路電壓測試持續(xù)時間設置為200 s，電化學阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy， EIS）測試頻率為10^?2～10⁵"Hz；極化曲線電勢為?1.8～0.2 V、掃描速率為0.5 mV/s。

1.6" "浸泡實驗

實驗以每5個閉合后的Zn-Li合金吻合釘為1組，選取7、14、21、28 d 4組時間點，在烘箱（溫度設置為37 ℃）中進行。為模擬人體環(huán)境，選取SBF、SIF、HBSS模擬液為浸泡液，共計浸泡60顆Zn-Li合金吻合釘。考慮到溶解氧對降解速率的影響^[16]，實驗中將吻合釘放入離心管中后，使模擬液充滿容器。達到時間點后，將吻合釘取出并用無水乙醇沖洗，在室溫下干燥。

1.7" " 儀器表征

將浸泡實驗結束后的Zn-Li合金吻合釘用電子天平稱重記錄，采用SEM及EDS進行表面形貌觀察與元素分析，分析降解機制。

2 " "結果與討論

2.1 " "時效時間對力學性能的影響

圖1是不同時效時間的Zn-Li合金絲的拉伸曲線，表1給出了3種合金絲的抗拉強度、伸長率和彈性模量。從圖1中可以看出，隨著時效時間的延長，合金絲的抗拉強度和伸長率均有所下降。這是因為Zn的熔點較低（419.5 ℃），再結晶溫度較低（純Zn的再結晶溫度為10 ℃）^[17]，組織結構隨時間的延長發(fā)生變化，有脆性第二相LiZn₄析出^[12]，導致合金的強度和塑性降低。

2.2 " "時效時間對耐蝕性能的影響

圖2是3種時效時間的Zn-Li合金絲的開路電壓。可以看出，隨時效時間的延長，開路電壓呈下降趨勢。圖3是動點位極化曲線圖，腐蝕電勢和腐蝕電流密度見表2。從表2中可以看出，時效時間延長，腐蝕電勢下降，腐蝕電流密度增加，合金的耐蝕性降低^[18]。

圖4（a）～圖4（c）給出了不同時效時間下Zn-Li合金絲的EIS擬合曲線。圖4（d）為EIS的等效電路圖，表3為擬合的等效電路參數(shù)。其中R_s為溶液電阻，C_cpl、R_cpl為腐蝕產物層的電容、電阻，C_dl為雙電層電容，R_ct為從樣品到溶液轉移電荷的電阻。據(jù)圖4（a）所示，在中頻波段時效1.0 a的樣品的阻抗最高，耐腐蝕性最好。時效1.5 a的樣品半波寬大于時效2 a的，顯示出更好的耐腐蝕性。圖4（b）中阻抗隨時效時間的延長而下降。圖4（c）NyquistEIS譜中時效1.0 a的樣品阻抗最大，耐蝕性最佳，與上述電化學測試結果匹配。出現(xiàn)上述結果的原因同樣是Zn的室溫下的靜態(tài)再結晶使得第二相LiZn₄析出，形成微電池，電偶腐蝕降低了材料的耐蝕性。

2.3"模擬液和浸泡時間對降解速率的影響

不同浸泡液中Zn-Li合金吻合釘?shù)钠骄|量隨時間的變化見圖5。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，以Zn-Li合金吻合釘在SIF和HBSS中的質量隨時間的延長呈先上升后下降的趨勢，而在SBF中則呈下降的趨勢。這是因為隨著反應的進行，產物層不斷加厚，但疏松的產物層會在某一時刻剝落，造成質量損失，而在SBF中，吻合釘腐蝕速率較快，7 d時已有較多產物剝落，所以未呈現(xiàn)出上升趨勢。從圖5中可以看出，SIF中的吻合釘?shù)馁|量損失最少，HBSS其次，SBF最多，與SEM觀察結果相符。圖6是Zn-Li合金吻合釘?shù)慕Y構示意圖。

2.4不同位置對降解模式、降解速率的影響

圖7給出了Zn-Li合金降解過程示意圖。Zn的吸氧腐蝕產生難溶的Zn（OH）₂，在植入物表面形成鈍化膜。人體中大量的Cl^?通過擴散到達材料表面，與Zn （OH）₂和Zn反應生成易溶氯化物，這一過程破壞了Zn（OH）₂的反應平衡，使得腐蝕正向進行，解離的Zn²⁺與OH^?、HPO₄^2?等陰離子接觸，生成Zn的磷酸鹽及其水合物。有研究表明，Zn的磷酸鹽可能是Zn表現(xiàn)出良好生物相容性的重要原因。

Zn的降解反應如下：

Zn→Zn²⁺+2e^?（陽極反應）

2H₂O+O₂+4e^?→4OH^?（陰極反應）

2Zn²⁺+2H₂O+O₂→2Zn（OH）₂（總反應）

3Zn²⁺+2HPO₄^2?+2OH^?→Zn₃（PO₄）₂"+2H₂O

圖8是Zn-Li合金吻合釘釘梁在SB、SIF、HBSS中浸泡7 d的SEM圖。從圖8中可以看出，高倍下未見明顯腐蝕，可以看到表面出現(xiàn)細小裂縫，可能是表面降解產物與基體的熱膨脹系數(shù)不同，造成了產物開裂。圖9為Zn-Li合金吻合釘釘梁在SB、SIF、HBSS中浸泡28 d后的SEM圖，SIF中的釘梁出現(xiàn)點蝕，但總體仍以均勻降解為主，氧化層進一步加厚。

圖10為Zn-Li合金吻合釘弧度處在SIF和HBSS中浸泡后的SEM圖。從圖10（a）和10（b）中可以看出，在SIF中，7 d時表面出現(xiàn)直徑5 μm左右的細小蝕坑，28 d時發(fā)展為直徑為8～17 μm的坑洞。其在弧度處受拉應力的位置廣泛分布，有的在表面已經(jīng)相連。這是因為弧度處在外圈受拉伸的過程中產生了微裂紋，電解質（尤其是Cl^?）進入裂紋尖端加速腐蝕，形成小孔，應為應力腐蝕與點蝕的共同作用。從圖10（c）和10（d）中可以看出，弧度處在HBSS中受點蝕的影響最明顯。

除在Zn-Li合金吻合釘弧度處出現(xiàn)非均勻降解外，在釘腳處觀察到了更加嚴重的腐蝕現(xiàn)象。釘腳形狀尖銳，是應力集中的部位，受應力腐蝕的影響較大。浸泡后的釘腳表面形貌粗糙，有的帶有孔洞，失去了原有的尖銳形狀。圖11（b）、11（c）是未與釘梁接觸的釘腳，可以看到其所受腐蝕十分嚴重。但在圖11（a）、11（d）中觀察到與釘腳接觸的釘梁亦受到嚴重腐蝕，應為微電偶腐蝕的作用。如上文圖7（b）、7（c）所示，Zn-Li合金吻合釘表面降解產物呈現(xiàn)分層的特點，而應力集中的釘腳處腐蝕速率相較釘梁大，釘腳與釘梁的腐蝕進程不同，加之Zn（OH）₂本身不穩(wěn)定，易分解為ZnO，ZnO與基體的腐蝕電勢不同，構成微電池，形成電流^[19]，加速腐蝕。這種腐蝕模式下材料的降解最為嚴重，浸泡SBF中7 d時即發(fā)現(xiàn)釘梁與釘腳受到嚴重腐蝕。所以實際應用中應注意調節(jié)吻合器的參數(shù)，減少吻合釘過度閉合，盡量避免釘腳與釘梁接觸，盡量減少微電偶腐蝕發(fā)生。

選取Zn-Li合金吻合釘弧度處進行元素分析，結果如圖12所示。測試結果顯示，K、Na、Mg等含量較低，故選取含量較高的C、O、Zn、P、Ca進行討論。SBF與HBSS顯示的趨勢相近，P、Ca、O的含量隨浸泡時間的延長逐漸增加，可能是隨著降解的進行，Ca₃（PO₄）₂等難溶性降解產物不斷地在Zn-Li合金表面沉積^[20]，阻礙了反應的進行。與上述兩者類似，SIF中浸泡的Zn-Li合金吻合釘中的C、O、P含量整體呈上升趨勢，但變化較小，應為蛋白質的加入減緩了腐蝕，蛋白質在體內的鈍化作用已得到研究證實，且是體內實驗降解速率區(qū)別于體外實驗的一個重要原因^[16]。

3" 結 論

（1）隨著時效時間的延長，Zn-Li合金絲的抗拉強度、伸長率、耐腐蝕性能下降。

（2）浸泡28 d的Zn-Li合金吻合釘在SBF中降解最快，HBSS中其次，SIF中最慢，對表面形貌的分析呈現(xiàn)相同結果。

（3）釘梁處主要發(fā)生均勻降解，弧度處的腐蝕為應力腐蝕和點蝕的共同作用，釘腳處的微電偶腐蝕對材料腐蝕最為明顯，在實際應用中盡量避免吻合釘過度閉合。

（4）元素分析結果表明，降解過程中產生的磷酸鹽在基體表面不斷沉積，影響降解進一步進行。

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（編輯：畢莉明）