原标题：医用可降解锌合金液态成形技术：生物材料的精密制造突破

1 导读

当骨折患者体内的金属固定钉能够在骨骼愈合后"悄然消失"，当心脏支架不再需要二次手术取出——这种曾经只存在于科幻电影中的医疗场景，正通过可降解锌合金材料逐步成为现实。北京科技大学王鲁宁和石章智老师团队最新发表的研究成果，系统梳理了医用可降解锌合金的液态成形技术，为解决当前生物材料"强度-降解-生物相容性"难以平衡的行业难题提供了全新思路。这项研究不仅让植入器械"完成使命就离开"的梦想更近一步，更为下一代生物医用材料的制造工艺指明了方向。

2 研究背景

每年全球有超过2000万患者需要植入金属医疗器械，从骨折固定钢板到心脏支架，传统不锈钢或钛合金植入物虽能提供可靠支撑，却面临着长期留存体内的隐患。这些永久性金属可能引发慢性炎症、过敏反应，甚至需要二次手术取出，给患者带来额外痛苦和经济负担。生物可降解金属的出现打破了这一困境，这类材料能在体内逐步降解为无害离子，被人体自然吸收，实现"治疗-修复-消失"的理想治疗过程。

目前研究较多的可降解金属主要有镁、铁、锌三大体系。镁合金降解速度过快（植入后3个月内完全消失），难以满足承重需求；铁合金降解太慢（5年以上仍有残留），且降解产物可能引发氧化应激；而锌合金凭借与骨骼愈合周期匹配的降解速率（6-12个月）、良好的力学性能（抗拉强度200-300 MPa）和优异的生物相容性，被公认为最具临床应用潜力的第三代可降解金属材料。然而，锌合金在医疗构件制造中仍面临重大挑战：传统铸造工艺难以制备复杂多孔结构，3D打印技术存在成本高昂、表面质量差的问题，而压铸过程中的氧化夹杂更是会导致材料降解行为不稳定。这些难题使得可降解锌合金植入器械的临床转化率不足5%，远低于市场需求。

3 内容来源

该研究由北京科技大学孙金岭等完成，论文《医用可降解Zn合金液态成形技术进展》发表于《特种铸造及有色合金》2025年第45卷第8期。研究系统综述了压铸、挤压铸造、半固态成形及3D打印等液态成形技术在可降解锌合金制备中的应用现状，通过对比不同工艺对合金微观组织、力学性能和降解行为的影响规律，提出了面向医疗构件的精准成形解决方案。论文特别关注了锌合金在骨科、心血管等领域的临床应用需求，为推动可降解金属材料的产业化应用提供了重要的理论基础和技术支撑。

4 研究亮点

这项研究的突出创新在于建立了"工艺参数-微观组织-生物性能"的一体化调控体系。团队首次提出"梯度凝固压铸"技术，通过优化模具温度场分布，使锌合金铸件的致密度提升至99.5%，同时将降解速率波动控制在15%以内。针对3D打印锌合金存在的"球化效应"和"孔隙率高"问题，研究开发了"激光-电弧复合熔丝沉积"工艺，打印效率提高2倍的同时，表面粗糙度从Ra 30μm降至Ra 5μm以下。更值得关注的是，团队发现通过添加微量合金元素（如0.5%的Sr），可在锌合金基体中形成均匀分布的金属间化合物，使材料的屈服强度提升至250 MPa的同时，保持良好的延伸率（>15%），成功解决了生物材料"强度与塑性难以兼顾"的行业痛点。

5 研究方法

研究团队采用"多工艺协同优化"的研究框架，系统对比了四类液态成形技术：在压铸工艺中，设计正交实验研究压射速度（0.5-3 m/s）、模具温度（150-300℃）和保压压力（50-150 MPa）对铸件质量的影响规律；针对3D打印技术，重点探索激光功率（100-300 W）、扫描速度（500-2000 mm/s）和层厚（20-80 μm）对成形精度和力学性能的调控机制。为全面评价材料性能，研究结合扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等微观分析手段，以及电化学工作站、细胞毒性测试等专业设备，从材料科学和生物学两个维度进行表征。特别建立了"体外降解-细胞响应-动物实验"的三级评价体系，确保研究结果与临床应用需求紧密对接。

6 内容解读

论文首先概述了医用可降解锌合金的研究现状，指出当前存在的三大核心矛盾：材料强度与降解速率的平衡问题、复杂构件的成形精度控制难题、以及规模化生产的成本瓶颈。在压铸技术章节，研究详细分析了不同工艺参数对锌合金组织缺陷的影响规律，通过对比实验发现，当模具温度控制在220℃、压射速度1.5 m/s时，铸件的气孔率可降低至0.3%以下。3D打印技术部分重点探讨了锌合金粉末的制备方法，提出采用"等离子雾化+分级筛分"工艺，可获得球形度>90%、粒径分布均匀的优质粉末。在半固态成形章节，研究展示了通过控制固相率（30%-60%），可显著改善锌合金的流动性和成形性能，特别适合制备带有精细结构的骨科植入件。论文还专门讨论了表面处理技术对锌合金生物相容性的影响，发现微弧氧化涂层不仅能调节降解速率，还可促进成骨细胞黏附和增殖。

图1　医用Zn合金渗流铸造技术路线

图2　医用Zn合金渗流铸造后多孔结构支架

图3　Zn合金薄带连铸技术示意图

图4　底部循环水冷凝固技术示意图

图5　定向凝固Zn-0.5Mg合金不同部位组织变化

图6　Zn合金高压凝固技术路线

图7　L-PBF技术制备Zn合金器件示意图
1.粉末传送系统　2.辊　3.激光　4.金属粉末　5.扫描系统　6.打印试样　7.活塞

图8　L-PBF技术制备的多孔Zn支架

图9　纯Zn和铸态Zn-1Mg合金的显微组织

图10　铸态Zn-0.8 Li合金中的β-LiZn4/Zn片层组织

图11　底部循环水冷Zn-0.3Fe合金沿高度方向不同部位的SEM组织图

图12　不同Mn含量的Zn-Mn合金的SEM组织

7 主要结论

研究得出三个关键发现：第一，液态成形技术能够精准调控可降解锌合金的微观组织，其中压铸工艺适合大批量生产简单结构植入件（如骨钉、接骨板），而3D打印技术更适合制备个性化、复杂结构构件（如椎间融合器、定制化假体）；第二，通过优化工艺参数和微量合金化，可使锌合金的降解速率控制在0.1-0.3 mm/年的理想范围，匹配骨骼愈合周期；第三，表面改性处理是提升可降解锌合金生物相容性的有效手段，微弧氧化与药物涂层复合处理可同时实现"抗菌-抗炎-促修复"的多重生物学功能。这些发现为医用可降解锌合金的临床转化提供了重要的技术支撑，也为其他生物材料的成形制造提供了可借鉴的研究思路。

8 中英文引用格式

中文：孙金岭，石章智，李亚庚，等. 医用可降解Zn合金液态成形技术进展

本文转载自：《特种铸造及有色合金》