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“镁”智库 |高性能可降解镁合金缝合钉研究
来源:北京科技大学 | 作者:大镁 | 发布时间: 28天前 | 34 次浏览 | 分享到:

01、研究背景

微创手术（MIS）机器人（单臂口腔缝合机器人）凭借其突破口腔及咽喉深部狭窄空间操作限制的优势，已成为口腔颌面外科的核心装备。传统金属缝合钉虽能实现创口闭合，但需二次手术取出，增加了患者的痛苦与医疗成本。镁合金因其生物相容性、可降解性及力学性能接近人骨等特性备受关注，但现有可降解镁合金仍面临关键瓶颈。首先力学强度与降解速率难以协调——如含稀土元素（RE）镁合金（例如WE43）降解周期长（>2个月），远超口腔软组织愈合所需的2周时间；其次部分合金含铝或稀土元素（如AZ31、Mg-Nd-Y），存在神经毒性或肝中毒风险；现有可降解镁丝的屈服强度和延伸率普遍较低，难以满足机器人缝合操作对材料强塑性和稳定性的需求。


针对传统缝合钉的临床痛点，北京科技大学李宏祥研究员团队及其合作者提出通过连续大变形（多道次拉拔与低温退火工艺）和多元微合金化协同调控镁合金降解行为与力学性能的设计思路，成功研发出用于缝合钉制造的新型Mg-3Zn-0.2Ca-2Ag可降解镁合金丝材。该合金屈服强度达到314.5 MPa，延伸率为19.6%。在模拟体液（SBF）环境中，Ag17Mg54相与镁基体之间的显著电偶腐蚀效应使合金丝材腐蚀速率提升至26.8 mm/年，创同类材料腐蚀速率记录，有望匹配口腔2周软组织愈合周期。体内外生物相容性实验研究也证实了该合金丝材的安全性，经单臂机器人验证，缝合钉可稳定闭合创口。该成果解决了传统材料降解周期长、二次手术风险高的难题，为微创机器人提供了兼具高强度、快速降解与生物安全性的创新材料。


02、图文导读

本研究通过多道次拉拔与低温退火工艺，成功制备了Mg-3Zn-0.2Ca-2Ag可降解镁合金丝材，其平均晶粒尺寸仅为3.45 μm，且纳米级Mg₂Zn₁₁相均匀分布。细晶强化（贡献164.2 MPa）与纳米相Orowan强化（67.6 MPa）的协同作用使屈服强度达到314.5 MPa。动态再结晶与Ag元素诱导的晶粒细化机制形成亚微米级晶粒结构，均匀弥散分布的纳米析出相Mg₂Zn₁₁（平均尺寸59.2 nm）钉扎位错，提升合金强度。大尺寸Ag₁₇Mg₅₄相（平均尺寸260 nm）通过粒子激发形核（PSN）进一步细化晶粒，如图1所示。而基面织构弱化与非基面滑移系的激活（如棱柱面⟨a⟩滑移施密特因子达到0.5）协调了镁合金强度与塑性的矛盾，延伸率高达19.6%。通过打结实验与缝合钉成形测试，材料可加工为复杂的形状，表明其在高强度下仍具备优异塑性变形能力，如图2所示。


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图1 Mg-3Zn-0.2Ca-2Ag 合金丝的微观组织


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图2 Mg-3Zn-0.2Ca-2Ag 合金丝的力学性能 


在降解性能方面，通过扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）分析发现，Ag₁₇Mg₅₄相与镁基体之间的电位差达83.2 mV，形成剧烈的微电偶腐蚀，如图3所示，加速局部点蚀。氢气释放实验证实，合金腐蚀初期反应剧烈，逐渐形成为以氢氧化物为主、部分氧化物附着的结构，后期因产物覆盖腐蚀逐渐减缓，电化学阻抗谱（EIS）进一步证实表面膜防护能力弱化。X射线光电子能谱（XPS）证实腐蚀产物为Mg、MgO、Mg(OH)2、Ag、Ag2O、Zn(OH)2、CaCO3和 Ca10(PO4)6(OH)2。氢氧化物层为羟基磷灰石（HA）提供成核位点，HA通过消耗溶液中的金属离子和磷酸根离子自发生长。Cl⁻侵蚀导致膜层破裂，材料本体重新暴露于溶液中，局部腐蚀加速。通过失重实验得知合金在模拟体液（SBF）中腐蚀速率达26.8 mm/年。腐蚀初期形成的多孔Mg(OH)₂保护膜因Cl⁻侵蚀破裂后，HA与CaCO₃沉积延缓腐蚀。体内植入14天后，CBCT三维重建显示合金丝两端优先降解，体积损失率对应腐蚀速率1.82 mm/年，表明本研究的合金丝材具有较快的体内腐蚀速率，如图4所示。


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图3 Mg-3Zn-0.2Ca-2Ag合金丝的SKPFM分析


材料的生物相容性通过体外与体内实验加以验证。体外实验显示材料溶血率仅3.6%，L929细胞存活率>90%，且血清离子浓度（Mg²⁺、Zn²⁺、Ca²⁺）无显著波动。体内植入14天后，周围组织无炎症反应，CBCT显示合金丝降解均匀，未产生金属伪影，如图4所示。单臂机器人验证表明，在模拟口腔狭窄空间内，机器人可精准定位并穿透人工皮肤，缝合钉闭合稳定，如图5所示。使用Geomagic软件进行数字拟合，量化植入后合金丝的体积损失，通过颜色梯度偏差图可直观观察到合金丝两端优先降解的特征，表面腐蚀呈现空间均匀性，揭示了镁合金缝合钉在生物体内“两端加速腐蚀-表面均匀减薄”的降解模式；体内外腐蚀对比显示，SEM下体内腐蚀产物含Ca、P元素，形成生物活性羟基磷灰石层，促进组织修复。这些结果不仅验证了材料的安全性，还展示了其在实际手术中的可靠性和适用性。


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图4 Mg-3Zn-0.2Ca-2Ag 合金丝植入动物体内不同时间的X射线图


图5 单臂缝合机器人（使用口腔颌面模型模拟口腔）伤口闭合的过程和缝合结果


03、结论与展望

综上所述，本研究针对口腔缝合环境，制备了配合单臂手术机器人使用的Mg−3Zn−0.2Ca−2Ag缝合钉，其力学性能、降解速率和生物相容性方面均表现出色，实现了屈服强度>300 MPa与降解速率高达26.8 mm/年的协同优化，是目前报道的生物可降解镁合金丝材中屈服强度最高且降解速率最快的材料。其优异的性能主要归因于第二相引起的微电偶腐蚀效应以及多种强化机制的协同作用。体内外生物实验也证明该合金丝材的生物相容性良好，单臂机器人操作验证证明其适用于狭窄口腔空间的自动化缝合。此合金丝材是应用于口腔深喉部手术缝合的理想材料，有望解决传统金属缝合钉需二次手术及降解周期与软组织愈合不匹配的临床难题，其可降解性以及缝合的便利性将大大提高口腔手术的效率以及患者的生活质量。


04、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2024年第12卷第10期：[1]Q.H. Wang, S.S. Liang, F.S. Yuan*, B.Y. Liu, J.Z. Yu*, W. Wang, N. Fakhar, H.X. Li*. A high-performance degradable Mg alloy suturing staple for single-arm oral stapling robot [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(10): 4096-4118.


05、下载链接

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06、中文摘要

微创手术（MIS）机器人（如单臂缝合机器人）凭借突破口腔及咽喉深部狭窄空间操作限制的优势，已成为口腔颌面外科的关键设备。针对现有缝合钉需二次手术取出的临床痛点，本研究开发了适配单臂机器人的可降解镁合金缝合钉。制备的Mg-3Zn-0.2Ca-2Ag合金丝材展现出优异的力学性能：抗拉强度326MPa、屈服强度314 MPa、延伸率19.6%。微观结构分析表明，细晶强化与Mg2Zn11纳米相强化协同作用使该材料屈服强度达可降解镁丝领域新高。在模拟体液（SBF）环境中，Ag17Mg54相与镁基体之间的显著电偶腐蚀效应使合金丝材腐蚀速率提升至26.8 mm/年，创同类材料腐蚀速率记录。体外实验证实该材料具有良好的血液相容性与生物安全性。锥形束计算机断层扫描（CBCT）检测显示镁合金缝合钉可有效维持术后早期创面机械支撑。经单臂机器人操作验证，缝合钉可实现创口稳定闭合。本研究为口腔咽喉手术机器人的自动化缝合提供了优质材料选择。


07、英文摘要

Minimally invasive surgery (MIS) robots, such as single-arm stapling robots, are key to oral and maxillofacial surgery because they overcome space constraints in the oral cavity and deep throat. However, biodegradable suture staples should be developed for the single-arm stapling robots to avoid a secondary operation. For this aim, a new type of Mg-3Zn-0.2Ca-2Ag biodegradable alloy wire was developed in this study applied as suture staples. Its tensile strength, yield strength, and elongation are 326.1 MPa, 314.5 MPa, and 19.6%, respectively. Especially, the alloy wire attains the highest yield strength value reported among all the biodegradable Mg wires, which is mainly attributed to fine grain strengthening and second phase strengthening such as Mg2Zn11 nano phase strengthening. Moreover, the corrosion rate of this alloy wire in simulated body fluid (SBF) reaches 26.8 mm/y, the highest value among all the biodegradable Mg alloy wires reported so far, which is mainly from the intensified galvanic corrosion between the Ag17Mg54 phase and the Mg matrix. In vitro studies demonstrate that the alloy wire exhibits good blood compatibility and low cytotoxicity. The cone beam computed tomography (CBCT) data shows that the suture staple made of the Mg alloy wire provides better mechanical support in the early postoperative period. From the single arm robot tests, it confirms that suture staples can close the wound tightly and remain stable over time. This research provides a good material selection for the automated suturing in oral and throat surgery robots.


08、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

王庆慧（第一作者），现为北京科技大学新金属材料全国重点实验室博士研究生，研究方向为医用可降解金属。以第一作者已发表两篇SCI论文，申请及授权发明专利3项。荣获2024年北京科技大学中天钢铁奖学金。

李宏祥（通讯作者），北京科技大学研究员、博导，北京市优秀人才。目前担任中国菱镁行业协会科学技术委员会委员、中国能源学会能源专家委员会能源装备专家组成员、《Journal of Magnesium and Alloys》期刊第二届青年编委会主任委员、《Rare Metals》青年编委等。曾获国家留学基金委优秀留学生奖、新疆维吾尔自治区科技进步二等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖、江西省科技进步奖三等奖、中国产学研合作创新奖、北京科技大学先进工作者、北京科技大学校长奖章优秀指导教师等各类荣誉20余项。在Prog. Mater. Sci, Acta Mater., Appl. Phys. Lett., Scripta Mater.等国内外学术期刊上发表论文150余篇。授权PCT国际专利1项，授权国内发明专利20余项。