由于金属基植入物通常具有较高的力学强度和稳定性，通常应用于骨折固定等承重部位；而磷酸钙（CaP）具有成骨活性和生物可降解性，主要应用为骨传导或骨移植物等非承重领域。镁（Mg）作为新型金属植入物，不仅力学性能与人体骨骼相适应，且具有生物可降解性和促成骨作用。因此，通过不同的手段制备Mg/CaP复合材料，可以结合Mg与CaP的优势，获得具有生物可降解性、骨传导性和优异力学性能的新型生物医用材料。然而，目前大多数基于粉末冶金方法制备出颗粒增强的镁基复合材料，Mg或CaP相是离散分布的，导致综合性能不佳。

最近，捷克Brno University of Technology的Mariano Casas-Luna博士和德国Helmholtz-Zentrum Hereon的Norbert Hort教授等人开发了一种新型快速低压液态金属渗透技术，以克服镁熔体浸渗到陶瓷基预制体中遇到的技术挑战，如镁的氧化和陶瓷基的降解。该技术主要通过电流辅助金属浸渗（CAMI），如图1所示，在高真空条件下施加脉冲电流不仅可以直接加热熔化镁粉，还能对陶瓷预制体进行脱气，有利于镁熔体向内渗流，然后切断电流快速凝固。该工作首先采用增材制造（Robocasting）技术制备出具有高精度的两种多孔CaP预制体—羟基磷灰石（HA）和缺钙羟基磷灰石（CDHA），再将微合金化镁合金，如Mg-Ca（0.2 wt.% Ca）、Mg-Zn（1 wt.%）浸渗入多孔CaP预制体。这种新方法制备出的Mg/CaP复合材料，Mg相和CaP相在三维空间上均具有连续结构。该工作主要研究了具有双连续结构的Mg/CaP复合材料微观结构特征对后续浸渗性能的影响，发现Mg/CaP复合材料具有良好的力学性能，并且在体外浸泡实验中展示出较低的降解速率。该研究工作为开发新型骨科植入材料提供了新思路和方法，同时还揭示了在制备过程中控制和优化复合材料结果的重要性，有望推动镁基复合材料在骨科中的应用。

图1 电流辅助金属渗透技术示意图

系统研究了Mg/CaP复合材料的力学性能和断裂模式，如图2所示。两种多孔CaP预制体的抗压强度均远低于镁及镁合金，且表现出脆性行为，其应变到失效小于1%。相比于纯镁，镁合金的屈服强度提高了5倍，而抗压强度增加了2倍多。镁合金在经历弹性阶段后表现出显著的塑性变形，并在达到最大应力前表现出明显的加工硬化。镁及镁合金浸渗于CaP预制体后，Mg/CaP复合材料的力学强度和塑性均得到显著提高。复合材料的断裂表面揭示了Mg基体的韧性断裂模式。此外，在CaP相内部形成了多个裂纹，其裂纹扩展路径在CaP与Mg界面处受到限制和偏转，从而导致界面剥离。而CaP与Mg之间存在的平坦表面，表明界面键合较弱。值得一提的是，复合材料中观察到裂纹穿过并在Mg基体内部有扩展的现象，这表明双连续结构在物理结构上限制了CaP相的脆性断裂，使其在Mg基体的塑性变形过程中逐渐失效，而不是突然断裂失效。

图2 Mg/CaP复合材料的压缩应力-应变曲线：(a) 纯镁基复合材料，(b) Mg-Ca基复合材料、(c) Mg-Zn基复合材料，(d) CaP预制体，(e) Mg/HA和(f)Mg/CDHA复合材料的代表性断裂面

重点研究了Mg/CaP复合材料在模拟体液中的腐蚀行为，如图3所示。研究发现Mg-Ca、Mg-Zn比纯镁具有更优的耐腐蚀性能，但其瞬时腐蚀过程更快。此外，Mg/CaP复合材料的自腐蚀电位和腐蚀电流密度数值介于纯镁和镁合金之间。所有样品浸泡在模拟体液中24 h时，由于Mg(OH)₂保护层形成，腐蚀速率逐渐降低。腐蚀速率在浸泡后的第5 d达到稳定，并在测量的2 w内保持不变。通常，复合材料的腐蚀速率高于金属相。在复合材料实验组中，Mg-Ca/HA组的腐蚀速率最高，达到11.1±2.3 mm/y，而Mg/HA的腐蚀速率最低，为3.7±1.7 mm/y。其他复合材料组的腐蚀速率介于5~6 mm/y之间。

图3 Mg/CaP复合材料在模拟体液中的腐蚀行为：(a) 纯镁及镁合金和(b) Mg/CaP复合材料的腐蚀速率，(c) 极化曲线，(d) 极化测试后Mg/CaP复合材料的宏观形貌

本研究还探索了Mg/CaP复合材料浸提液对细胞代谢的影响，如图4所示。结果表明，间接培养的第1 d，所有实验组均引起了1级毒性，因为细胞增殖率高于对照组的70%。然而，随着培养时间的延长，细胞数量和细胞活性逐步下降，低于对照组的70%。因此，根据ISO 10993-5标准，从第3 d开始，所有实验组均被认为具有细胞毒性。值得注意的是，与单一镁或镁合金相比，复合材料在降低细胞数量和细胞代谢活性方面的效果更为显著，而在Mg/HA和Mg/CDHA复合材料之间没有显著性差异。在所有实验组中，Mg-Zn组的细胞毒性最大。

图4 材料浸提液的细胞毒性评估结果：(a, d) 纯镁及其复合材料，(b, e) Mg-Ca及其复合材料，(c, f) Mg-Zn及其复合材料的细胞数量及细胞活性

综上所述，该研究工作通过电流辅助金属浸渗（CAMI）实现了镁熔体在多孔CaP预制体中的完全浸渗，且不会破坏预制体的结构。将CAMI与增材制造方法相结合，可以制备出具有定制拓扑设计双连续结构的复合材料。CAMI法在防止Mg晶粒长大并抑制CaP分解方面具有一定效果，是提高Mg/CaP复合材料力学性能和降解性能的有效方法。Mg/CaP复合材料有望在骨骼愈合初期提供负载支撑，随后镁的降解可为由新骨生长提供空间，这为引导骨愈合的植入物材料的制备提供了更多选择。本研究介绍的新型制备方法可以推广到处理其他金属-陶瓷复合材料体系。

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