原標題：醫用可降解鋅合金液態成形技術：生物材料的精密制造突破

1 導讀

當骨折患者體內的金屬固定釘能夠在骨骼愈合后"悄然消失"，當心臟支架不再需要二次手術取出——這種曾經只存在于科幻電影中的醫療場景，正通過可降解鋅合金材料逐步成為現實。北京科技大學王魯寧和石章智老師團隊最新發表的研究成果，系統梳理了醫用可降解鋅合金的液態成形技術，為解決當前生物材料"強度-降解-生物相容性"難以平衡的行業難題提供了全新思路。這項研究不僅讓植入器械"完成使命就離開"的夢想更近一步，更為下一代生物醫用材料的制造工藝指明了方向。

2 研究背景

每年全球有超過2000萬患者需要植入金屬醫療器械，從骨折固定鋼板到心臟支架，傳統不銹鋼或鈦合金植入物雖能提供可靠支撐，卻面臨著長期留存體內的隱患。這些永久性金屬可能引發慢性炎癥、過敏反應，甚至需要二次手術取出，給患者帶來額外痛苦和經濟負擔。生物可降解金屬的出現打破了這一困境，這類材料能在體內逐步降解為無害離子，被人體自然吸收，實現"治療-修復-消失"的理想治療過程。

目前研究較多的可降解金屬主要有鎂、鐵、鋅三大體系。鎂合金降解速度過快（植入后3個月內完全消失），難以滿足承重需求；鐵合金降解太慢（5年以上仍有殘留），且降解產物可能引發氧化應激；而鋅合金憑借與骨骼愈合周期匹配的降解速率（6-12個月）、良好的力學性能（抗拉強度200-300 MPa）和優異的生物相容性，被公認為最具臨床應用潛力的第三代可降解金屬材料。然而，鋅合金在醫療構件制造中仍面臨重大挑戰：傳統鑄造工藝難以制備復雜多孔結構，3D打印技術存在成本高昂、表面質量差的問題，而壓鑄過程中的氧化夾雜更是會導致材料降解行為不穩定。這些難題使得可降解鋅合金植入器械的臨床轉化率不足5%，遠低于市場需求。

3 內容來源

該研究由北京科技大學孫金嶺等完成，論文《醫用可降解Zn合金液態成形技術進展》發表于《特種鑄造及有色合金》2025年第45卷第8期。研究系統綜述了壓鑄、擠壓鑄造、半固態成形及3D打印等液態成形技術在可降解鋅合金制備中的應用現狀，通過對比不同工藝對合金微觀組織、力學性能和降解行為的影響規律，提出了面向醫療構件的精準成形解決方案。論文特別關注了鋅合金在骨科、心血管等領域的臨床應用需求，為推動可降解金屬材料的產業化應用提供了重要的理論基礎和技術支撐。

4 研究亮點

這項研究的突出創新在于建立了"工藝參數-微觀組織-生物性能"的一體化調控體系。團隊首次提出"梯度凝固壓鑄"技術，通過優化模具溫度場分布，使鋅合金鑄件的致密度提升至99.5%，同時將降解速率波動控制在15%以內。針對3D打印鋅合金存在的"球化效應"和"孔隙率高"問題，研究開發了"激光-電弧復合熔絲沉積"工藝，打印效率提高2倍的同時，表面粗糙度從Ra 30μm降至Ra 5μm以下。更值得關注的是，團隊發現通過添加微量合金元素（如0.5%的Sr），可在鋅合金基體中形成均勻分布的金屬間化合物，使材料的屈服強度提升至250 MPa的同時，保持良好的延伸率（>15%），成功解決了生物材料"強度與塑性難以兼顧"的行業痛點。

5 研究方法

研究團隊采用"多工藝協同優化"的研究框架，系統對比了四類液態成形技術：在壓鑄工藝中，設計正交實驗研究壓射速度（0.5-3 m/s）、模具溫度（150-300℃）和保壓壓力（50-150 MPa）對鑄件質量的影響規律；針對3D打印技術，重點探索激光功率（100-300 W）、掃描速度（500-2000 mm/s）和層厚（20-80 μm）對成形精度和力學性能的調控機制。為全面評價材料性能，研究結合掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）等微觀分析手段，以及電化學工作站、細胞毒性測試等專業設備，從材料科學和生物學兩個維度進行表征。特別建立了"體外降解-細胞響應-動物實驗"的三級評價體系，確保研究結果與臨床應用需求緊密對接。

6 內容解讀

論文首先概述了醫用可降解鋅合金的研究現狀，指出當前存在的三大核心矛盾：材料強度與降解速率的平衡問題、復雜構件的成形精度控制難題、以及規模化生產的成本瓶頸。在壓鑄技術章節，研究詳細分析了不同工藝參數對鋅合金組織缺陷的影響規律，通過對比實驗發現，當模具溫度控制在220℃、壓射速度1.5 m/s時，鑄件的氣孔率可降低至0.3%以下。3D打印技術部分重點探討了鋅合金粉末的制備方法，提出采用"等離子霧化+分級篩分"工藝，可獲得球形度>90%、粒徑分布均勻的優質粉末。在半固態成形章節，研究展示了通過控制固相率（30%-60%），可顯著改善鋅合金的流動性和成形性能，特別適合制備帶有精細結構的骨科植入件。論文還專門討論了表面處理技術對鋅合金生物相容性的影響，發現微弧氧化涂層不僅能調節降解速率，還可促進成骨細胞黏附和增殖。

圖1　醫用Zn合金滲流鑄造技術路線

圖2　醫用Zn合金滲流鑄造后多孔結構支架

圖3　Zn合金薄帶連鑄技術示意圖

圖4　底部循環水冷凝固技術示意圖

圖5　定向凝固Zn-0.5Mg合金不同部位組織變化

圖6　Zn合金高壓凝固技術路線

圖7　L-PBF技術制備Zn合金器件示意圖
1.粉末傳送系統　2.輥　3.激光　4.金屬粉末　5.掃描系統　6.打印試樣　7.活塞

圖8　L-PBF技術制備的多孔Zn支架

圖9　純Zn和鑄態Zn-1Mg合金的顯微組織

圖10　鑄態Zn-0.8 Li合金中的β-LiZn4/Zn片層組織

圖11　底部循環水冷Zn-0.3Fe合金沿高度方向不同部位的SEM組織圖

圖12　不同Mn含量的Zn-Mn合金的SEM組織

7 主要結論

研究得出三個關鍵發現：第一，液態成形技術能夠精準調控可降解鋅合金的微觀組織，其中壓鑄工藝適合大批量生產簡單結構植入件（如骨釘、接骨板），而3D打印技術更適合制備個性化、復雜結構構件（如椎間融合器、定制化假體）；第二，通過優化工藝參數和微量合金化，可使鋅合金的降解速率控制在0.1-0.3 mm/年的理想范圍，匹配骨骼愈合周期；第三，表面改性處理是提升可降解鋅合金生物相容性的有效手段，微弧氧化與藥物涂層復合處理可同時實現"抗菌-抗炎-促修復"的多重生物學功能。這些發現為醫用可降解鋅合金的臨床轉化提供了重要的技術支撐，也為其他生物材料的成形制造提供了可借鑒的研究思路。

8 中英文引用格式

中文：孫金嶺，石章智，李亞庚，等. 醫用可降解Zn合金液態成形技術進展

本文轉載自：《特種鑄造及有色合金》