可降解Zn-Li合金吻合釘?shù)淖匀粫r(shí)效與降解機(jī)制研究

摘要：

作為力學(xué)性能良好，降解速率適中的可降解金屬，Zn基合金的應(yīng)用前景十分廣闊。研究了自然時(shí)效對(duì)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(jī)制。通過(guò)拉伸試驗(yàn)和電化學(xué)試驗(yàn)分析時(shí)效時(shí)間對(duì)Zn-Li合金絲力學(xué)性能和耐蝕性的影響。采用浸泡實(shí)驗(yàn)，根據(jù)吻合釘質(zhì)量變化分析不同模擬液對(duì)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(jié)果表明，時(shí)效2.0 a的Zn-Li合金絲比時(shí)效1.0 a的拉伸強(qiáng)度低43.86 MPa，伸長(zhǎng)率下降24.17%，腐蝕電勢(shì)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(yán)重的腐蝕形式。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)用材料；吻合釘；自然時(shí)效；體外降解；生物可降解金屬

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 146 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)中，吻合釘廣泛用于胃腸道的愈合重建^[1-2]。當(dāng)前市面上所用Ti吻合釘在人體內(nèi)長(zhǎng)期存在易引起免疫反應(yīng)，可在人體內(nèi)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(jié)了Ti基合金的優(yōu)缺點(diǎn)，提出吻合釘在人體長(zhǎng)期存在會(huì)提高形成異物狀肉芽腫的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致術(shù)后吻合口狹窄；Ti及鈦合金的X射線(xiàn)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?qiáng)度。但相比于鋅合金吻合釘，Mg-6Zn合金吻合釘依然存在耐腐蝕性差的問(wèn)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(xì)胞周期循環(huán)。王嘯虎等^[4]使用高純Mg在新西蘭兔體內(nèi)進(jìn)行腸吻合術(shù)，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(fēng)險(xiǎn)。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(dòng)脈，結(jié)果顯示在Zn絲降解的過(guò)程中伴隨著組織修復(fù)，體現(xiàn)了Zn作為可降解金屬的潛力。目前對(duì)該材料的研究仍在起步階段，其應(yīng)用主要在血管支架^[7-10]和骨科植入物^[11-14]等方面，關(guān)于吻合釘?shù)难芯枯^為少見(jiàn)。鄭玉峰等^[15]在豬體內(nèi)進(jìn)行了Zn-Li-Mn合金吻合釘植入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該吻合釘具有良好的生物相容性，但其對(duì)于吻合釘?shù)慕到鈾C(jī)制未進(jìn)行深入研究。

針對(duì)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(wèn)題，本文研究了Zn-Li合金吻合釘?shù)淖匀粫r(shí)效對(duì)材料力學(xué)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(jī)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(yīng)用提供數(shù)據(jù)積累。

1 " "實(shí) 驗(yàn)

1.1 " "實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：磷酸二氫鉀、氫氧化鈉、鹽酸、無(wú)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(shí)驗(yàn)儀器：電化學(xué)工作站、電子天平、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、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(shí)效對(duì)Zn-Li合金力學(xué)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(guó)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(diào)節(jié)pH至6.8±0.1，再加水稀釋至1 000 mL備用。

1.4力學(xué)性能測(cè)試

拉伸實(shí)驗(yàn)依照ASTM-E8標(biāo)準(zhǔn)，將3種時(shí)效時(shí)間的Zn-Li合金絲以原始標(biāo)距為25 mm，拉伸速率為10 mm/min的參數(shù)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試。

1.5"電化學(xué)測(cè)試

截取3種時(shí)效時(shí)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(zhǎng)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(duì)電極，組成三電極系統(tǒng)。測(cè)試中開(kāi)路電壓測(cè)試持續(xù)時(shí)間設(shè)置為200 s，電化學(xué)阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy， EIS）測(cè)試頻率為10^?2～10⁵"Hz；極化曲線(xiàn)電勢(shì)為?1.8～0.2 V、掃描速率為0.5 mV/s。

1.6" "浸泡實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以每5個(gè)閉合后的Zn-Li合金吻合釘為1組，選取7、14、21、28 d 4組時(shí)間點(diǎn)，在烘箱（溫度設(shè)置為37 ℃）中進(jìn)行。為模擬人體環(huán)境，選取SBF、SIF、HBSS模擬液為浸泡液，共計(jì)浸泡60顆Zn-Li合金吻合釘。考慮到溶解氧對(duì)降解速率的影響^[16]，實(shí)驗(yàn)中將吻合釘放入離心管中后，使模擬液充滿(mǎn)容器。達(dá)到時(shí)間點(diǎn)后，將吻合釘取出并用無(wú)水乙醇沖洗，在室溫下干燥。

1.7" " 儀器表征

將浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的Zn-Li合金吻合釘用電子天平稱(chēng)重記錄，采用SEM及EDS進(jìn)行表面形貌觀察與元素分析，分析降解機(jī)制。

2 " "結(jié)果與討論

2.1 " "時(shí)效時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

圖1是不同時(shí)效時(shí)間的Zn-Li合金絲的拉伸曲線(xiàn)，表1給出了3種合金絲的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和彈性模量。從圖1中可以看出，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金絲的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有所下降。這是因?yàn)閆n的熔點(diǎn)較低（419.5 ℃），再結(jié)晶溫度較低（純Zn的再結(jié)晶溫度為10 ℃）^[17]，組織結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生變化，有脆性第二相LiZn₄析出^[12]，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和塑性降低。

2.2 " "時(shí)效時(shí)間對(duì)耐蝕性能的影響

圖2是3種時(shí)效時(shí)間的Zn-Li合金絲的開(kāi)路電壓?？梢钥闯?，隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，開(kāi)路電壓呈下降趨勢(shì)。圖3是動(dòng)點(diǎn)位極化曲線(xiàn)圖，腐蝕電勢(shì)和腐蝕電流密度見(jiàn)表2。從表2中可以看出，時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，腐蝕電勢(shì)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(shí)效時(shí)間下Zn-Li合金絲的EIS擬合曲線(xiàn)。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(chǎn)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(zhuǎn)移電荷的電阻。據(jù)圖4（a）所示，在中頻波段時(shí)效1.0 a的樣品的阻抗最高，耐腐蝕性最好。時(shí)效1.5 a的樣品半波寬大于時(shí)效2 a的，顯示出更好的耐腐蝕性。圖4（b）中阻抗隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。圖4（c）NyquistEIS譜中時(shí)效1.0 a的樣品阻抗最大，耐蝕性最佳，與上述電化學(xué)測(cè)試結(jié)果匹配。出現(xiàn)上述結(jié)果的原因同樣是Zn的室溫下的靜態(tài)再結(jié)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(shí)間對(duì)降解速率的影響

不同浸泡液中Zn-Li合金吻合釘?shù)钠骄|(zhì)量隨時(shí)間的變化見(jiàn)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(zhì)量隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈先上升后下降的趨勢(shì)，而在SBF中則呈下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)物層不斷加厚，但疏松的產(chǎn)物層會(huì)在某一時(shí)刻剝落，造成質(zhì)量損失，而在SBF中，吻合釘腐蝕速率較快，7 d時(shí)已有較多產(chǎn)物剝落，所以未呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。從圖5中可以看出，SIF中的吻合釘?shù)馁|(zhì)量損失最少，HBSS其次，SBF最多，與SEM觀察結(jié)果相符。圖6是Zn-Li合金吻合釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖。

2.4不同位置對(duì)降解模式、降解速率的影響

圖7給出了Zn-Li合金降解過(guò)程示意圖。Zn的吸氧腐蝕產(chǎn)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(guò)擴(kuò)散到達(dá)材料表面，與Zn （OH）₂和Zn反應(yīng)生成易溶氯化物，這一過(guò)程破壞了Zn（OH）₂的反應(yīng)平衡，使得腐蝕正向進(jìn)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(yīng)如下：

Zn→Zn²⁺+2e^?（陽(yáng)極反應(yīng)）

2H₂O+O₂+4e^?→4OH^?（陰極反應(yīng)）

2Zn²⁺+2H₂O+O₂→2Zn（OH）₂（總反應(yīng)）

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(jiàn)明顯腐蝕，可以看到表面出現(xiàn)細(xì)小裂縫，可能是表面降解產(chǎn)物與基體的熱膨脹系數(shù)不同，造成了產(chǎn)物開(kāi)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(diǎn)蝕，但總體仍以均勻降解為主，氧化層進(jìn)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(shí)表面出現(xiàn)直徑5 μm左右的細(xì)小蝕坑，28 d時(shí)發(fā)展為直徑為8～17 μm的坑洞。其在弧度處受拉應(yīng)力的位置廣泛分布，有的在表面已經(jīng)相連。這是因?yàn)榛《忍幵谕馊κ芾斓倪^(guò)程中產(chǎn)生了微裂紋，電解質(zhì)（尤其是Cl^?）進(jìn)入裂紋尖端加速腐蝕，形成小孔，應(yīng)為應(yīng)力腐蝕與點(diǎn)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(diǎn)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(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。釘腳形狀尖銳，是應(yīng)力集中的部位，受應(yīng)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(yán)重。但在圖11（a）、11（d）中觀察到與釘腳接觸的釘梁亦受到嚴(yán)重腐蝕，應(yīng)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(chǎn)物呈現(xiàn)分層的特點(diǎn)，而應(yīng)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(jìn)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(shì)不同，構(gòu)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(yán)重，浸泡SBF中7 d時(shí)即發(fā)現(xiàn)釘梁與釘腳受到嚴(yán)重腐蝕。所以實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意調(diào)節(jié)吻合器的參數(shù)，減少吻合釘過(guò)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(jìn)行元素分析，結(jié)果如圖12所示。測(cè)試結(jié)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(jìn)行討論。SBF與HBSS顯示的趨勢(shì)相近，P、Ca、O的含量隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，可能是隨著降解的進(jìn)行，Ca₃（PO₄）₂等難溶性降解產(chǎn)物不斷地在Zn-Li合金表面沉積^[20]，阻礙了反應(yīng)的進(jìn)行。與上述兩者類(lèi)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(shì)，但變化較小，應(yīng)為蛋白質(zhì)的加入減緩了腐蝕，蛋白質(zhì)在體內(nèi)的鈍化作用已得到研究證實(shí)，且是體內(nèi)實(shí)驗(yàn)降解速率區(qū)別于體外實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要原因^[16]。

3" 結(jié) 論

（1）隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，Zn-Li合金絲的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)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(duì)表面形貌的分析呈現(xiàn)相同結(jié)果。

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

（4）元素分析結(jié)果表明，降解過(guò)程中產(chǎn)生的磷酸鹽在基體表面不斷沉積，影響降解進(jìn)一步進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[ "1 "]"季加孚， 胡祥， 陳凜， 等. 胃切除術(shù)后消化道重建技術(shù)專(zhuān)家共識(shí)[J]. 中國(guó)實(shí)用外科雜志， 2014， 34（3）： 205?212.

[ "2 "]"VENERITO M， VASAPOLLI R， ROKKAS T， et al.Gastric cancer： epidemiology， prevention， and therapy[J].Helicobacter， 2018， 23（S1）： e12518.

[ "3 "]"王思逸， 朱甲明， 周敏， 等. 腹腔鏡消化道重建術(shù)中所用胃腸吻合釘?shù)难芯楷F(xiàn)狀及思考 [J]. 腹腔鏡外科雜志，2022， 27（11）： 871?875.

[ "4 "]王嘯虎， 閻鈞， 張紹翔， 等. 高純鎂吻合釘與鈦合金吻合釘用于兔腸吻合術(shù)的對(duì)比研究 [J]. 浙江醫(yī)學(xué)， 2022，44（17）： 1854?1858.

[ "5 "]"BOWEN P K， DRELICH J， GOLDMAN J. Zinc exhibits ideal physiological corrosion behavior for bioabsorbable stents[J]. Advanced Materials， 2013， 25（18）： 2577?2582.

[ "6 "]"BOWEN P K， GUILLORY II R J， SHEARIER E R， et al. "Metallic zinc exhibits optimal biocompatibility for bioabsorbable endovascular stents[J]. Materials Science and Engineering： C， 2015， 56： 467?472.

[ "7 "]"MOSTAED E， SIKORA-JASINSKA M， DRELICH J W，et al. "Zinc-based alloys for degradable vascular stent applications[J]. Acta Biomaterialia， 2018， 71： 1?23.

[ "8 "]"ZHAO S， SEITZ J M， EIFLER R， et al. Zn-Li alloy after extrusion and drawing： structural， mechanical characterization， and biodegradation in abdominal aorta of rat[J]. Materials Science and Engineering： C， "2017，76： 301?312.

[ "9 "]"ZHU S M， WU C C， LI G N， et al. "Microstructure， mechanical properties and creep behaviour of extruded Zn-xLi （x "= 0.1， 0.3 and 0.4） alloys for biodegradable"vascular stent applications[J]. "Materials Science and Engineering： A， 2020， 777： 139082.

[10]"JIN H L， ZHAO S， GUILLORY R， et al. Novel high-strength， low-alloys Zn-Mg （lt;0.1wt% Mg） and their arterial biodegradation[J]. "Materials Science and Engineering： C， 2018， 84： 67?79.

[11]"VOJTěCH D， KUBáSEK J， ?ERáK J， et al. Mechanical and corrosion properties of newly developed biodegradable Zn-based alloys for bone fixation[J]. Acta Biomaterialia， 2011， 7（9）： 3515?3522.

[12]"LI G N， YANG H T， ZHENG Y F， et al. Challenges in the use of zinc and its alloys as biodegradable metals：perspective from biomechanical compatibility[J]. "Acta Biomaterialia， 2019， 97： 23?45.

[13]"WANG N， MA Y T， SHI H X， et al. Mg-， Zn-， and Fe-based alloys with antibacterial properties as orthopedic implant materials[J]. 2022， 10： 888084.

[14]"王順， 馮微， 廖燚， 等. 鋅-2銀-0.4鎂多孔合金支架的體外生物相容性、成骨性及抗菌性能評(píng)價(jià) [J]. 實(shí)用骨科雜志， 2022， 28（9）： 801?806.

[15]"GUO H， HU J L， SHEN Z Q， et al. In vitro and in vivo studies of biodegradable Zn-Li-Mn alloy staples designed for gastrointestinal anastomosis[J]. "Acta Biomaterialia， 2021， 121： 713?723.

[16]"G?SIOR G， SZCZEPA?SKI J， RADTKE A.Biodegradable iron-based materials-what was done and what more can be done？[J]. "Materials， "2021， "14（12）：3381.

[17]"VENEZUELA J J D， JOHNSTON S， DARGUSCH M S.The prospects for biodegradable zinc in wound closure applications[J]. "Advanced Healthcare Materials， "2019，8（16）： 1900408.

[18]"ZHU X L， GUO P S， YANG L J， et al. Comparison of the in vitro corrosion behavior of biodegradable pure Zn in SBF， 0.9%NaCl， and DMEM[J]. "Materials and Corrosion， 2021， 72（10）： 1687?1701.

[19]"NAZAROV A， DILER E， PERSSON D， et al.Electrochemical and corrosion properties of ZnO/Zn electrode in atmospheric environments[J]. "Journal of Electroanalytical Chemistry， 2015， 737： 129?140.

[20]"CHEN X H， CHANG R， LIU H T， et al. "Moving research direction in the field of metallic bioresorbable stents-A mini-review[J]. "Bioactive Materials， "2023， "24：20?25.

（編輯：畢莉明）