可降解金属天花板！聂建峰，Nature！
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顶刊解读
然而，其固有的柔软性限制了其在承重骨科植入物中的使用。
虽然减少锌的晶粒尺寸可以使其更强，但它也破坏了其机械性能的稳定，从而使其在体温下的耐用性降低。
在此，来自澳大利亚莫纳什大学的聂建峰等研究者研究表明，在保持基本织构的同时，增加微米级晶粒尺寸，可以获得超高强度和优异的耐久性。相关论文以题为“Stronger and coarser-grained biodegradable zinc alloys”于2025年02月12日发表在Nature上。
不锈钢与钛合金骨钉、骨板作为骨折固定金标准虽疗效可靠，却因永久存留体内易引发骨吸收、固定松动等并发症，约30%病例需二次手术翻修。
可降解镁合金植入体（如镁钇稀土锆合金/MAGNEZIX、镁钇锌锰合金/NOVAMag）的兴起带来曙光，特别是2023年3月美国FDA批准首款镁锌钙创伤螺钉（RemeOs）。
然而现有材料抗压屈服强度（50-260 MPa）仅适用于非承重部位，且镁合金降解过程中氢气泡释放可能干扰组织再生进程。
锌基可降解材料凭借其无氢释放特性与Zn²⁺促骨生成效应成为新宠。
但纯锌强度过低（<30 MPa），即便通过热挤压工艺强化的二元合金强度也仅达95-120 MPa，传统晶粒细化策略虽可提升强度，却导致体温环境下抗蠕变性能骤降——例如超细晶Zn-Li合金在37℃（约0.45同源温度）低应力下即发生蠕变失效，远超常规金属的0.4阈值。
在此，本研究突破性提出“晶粒增粗强化“策略：通过微量合金化设计，在六方晶系锌基体中培育大尺寸晶粒，成功开发兼具高强度（较镁基植入体提升近两倍）与优异抗蠕变性能的新型合金。
更为重要的是，首次观察到“孪晶协同变形“新机制——不同于传统机械孪生引发的塑性响应，新型孪晶通过协调相邻晶粒形变实现应力再分配。
在这种反向霍尔–珀奇效应中，变形模式由初始晶粒尺寸时的晶界滑移和动态再结晶转变为晶粒尺寸增大时的晶内锥体滑移和异常孪晶。反常孪晶的作用，在这项工作中被称为“调节孪晶”，是在垂直于外部加载方向的平面上调节改变的晶粒形状，与著名的“机械孪晶”相反，其作用是沿着外部加载方向传递塑性。
这些稀锌合金达到的强度水平几乎是由镁合金制成的生物可降解植入物的两倍，使它们成为人们所知的制造骨固定植入物的最强和最稳定的生物可降解合金。
图1 Zn-0.2 wt%镁合金不同晶粒尺寸试样的室温压缩性能。
图2 Zn-0.2 wt% Mg合金d3试样挤压过程中沿挤压方向的组织演变。
综上所述，研究者通过调控晶粒尺寸与取向来定制变形模式，成功开发出兼具高强度与耐久性的可降解锌合金。
实验结果表明：当基面织构形成时，将晶粒尺寸控制在微米尺度内增大可显著提升抗压强度。
这种反Hall-Petch效应源于主导变形模式的渐进转变——小晶粒体系以晶界滑移和动态再结晶为主，而大晶粒体系则倾向于晶内锥面滑移和非常规孪生。
这类特殊孪生通过协调相邻晶粒的形变实现应力缓冲，与常规机械孪生单纯响应外部应力的塑性机制形成鲜明对比。
粗晶粒与高合金强度之间的独特关联为先进可降解金属产品设计提供了新思路。粗晶锌合金的抗压屈服强度不仅超越骨科螺钉用镁合金（MAGNEZIX、NOVAMag、RESOMET），更可与高强度医用不锈钢媲美。
图4c对比了合金B与临床获批骨植入体材料Mg-Zn-Ca合金（RemeOs改良型Mg-0.4Zn-0.1Ca）的性能：合金B在抗压强度、抗剪强度、抗弯强度及抗蠕变性能方面均显著优于镁基合金，仅拉伸屈服强度差异较小。
合金B螺钉的体内降解速率接近临床镁基骨植入体的最低观测值，其具体速率受植入时长、骨骼部位和动物物种等因素影响。
值得注意的是，锌合金植入体的体外降解测试结果往往严重低估实际体内降解速率。
这突显了在体外实验中构建适宜生理环境的重要性，只有通过此类模拟才能准确评估锌基骨科植入材料的真实降解行为。
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
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08415-8
魔角石墨烯，Nature！
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