磁致伸缩合金由于独特的磁致伸缩特性，逐渐在生物医用领域崭露头角。本文系统总结了磁致伸缩的基本理论，介绍了磁致伸缩合金的类型、特点、制备方法以及相应的测量方法与装置。此外，讨论了磁致伸缩在远程微执行器、植入物等生物医学领域的最新应用，最后对磁致伸缩合金在细胞远程驱动和组织修复方面的应用前景进行了展望。

01、研究内容简介

健康是人类的不懈追求，随着生活水平的不断提高，人们不仅对疾病治疗越来越重视，对治疗方法和疗效也提出了更高的要求。有鉴于此，新的医疗技术和手段被不断地探索与发展。例如，手术治疗已从开放手术发展到微创甚至无创手术，骨缺损的修复已从自体骨、异体骨移植发展到生物可降解人工骨移植等。这些进展旨在达到更好的治疗效果，并减少对患者健康的不良影响。在此基础上，相应的新型治疗工具也得到了迅速发展，如微机电系统（MEMS）在细胞操控、介入治疗等方面的应用，以及利用电、机械和磁等智能材料开发的体外驱动植入器械。

作为一种新型智能材料，磁致伸缩能够在外部磁场的作用下发生尺寸变化，去除磁场后又能恢复到原来的尺寸（图1）。早在1992年，一种灵敏可靠的磁致伸缩传感器就被开发用于监测关节运动和肺通气。此后，Vargas-Esteve等人研究了Galfenol微粒的生物相容性，证实了其作为远程微驱动器在细胞生物学领域的巨大应用潜力。Hart等人创新性地研究了磁致伸缩在骨修复中的应用，将磁致伸缩材料刚性固定在猪胫骨上，发现在交变磁场下磁致伸缩可以提供有效的应变刺激，加速骨形成。这些研究表明磁致伸缩在生物医学领域具有巨大的应用潜力和研究价值。

1、磁致伸缩理论

国内外学者主要提出了以下理论模型来阐释磁致伸缩现象的原理：唯象理论认为磁致伸缩是由相邻原子磁矩之间的交换耦合效应引起的，当磁矩之间的距离发生变化时，材料的宏观行为就表现为伸长或缩短。唯象理论虽然可以解释磁致伸缩引起的铁磁性物质的宏观变形，但不能揭示微观物理机制；随后量子理论进一步阐明，磁致伸缩应变可以根据电子结构、磁性离子和晶体结构等来计算，并分别提出了自发磁致伸缩、场致磁致伸缩、形状效应、稀土离子引起的巨磁致伸缩等磁致伸缩机制。

Fig. 1 Schematic descriptions of (a) Joule effect and (b) Villari effect. (c) The magnetostriction of ferromagnetic materials. (d) The distribution of magnetic moments corresponding to different magnetization stages of ferromagnetic materials.

2、磁致伸缩材料

自发现磁致伸缩现象以来，人们就不断尝试开发新的磁致伸缩材料并探索其应用，主要可分为以下几大类：（1）Fe基合金：Fe-Ga合金由于高磁致伸缩应变、低饱和磁场、低脆性、高强度和优异的加工性，成为极具潜力的新型磁致伸缩材料，填补了传统磁致伸缩材料与巨磁致伸缩材料间的空白，在超声场、换能器、微位移器件和磁致伸缩执行器中具有很大的应用潜力。Fe-Ga合金包含多种相结构如A2、DO3，L12，B2，DO19和Modified-DO3等，直接影响合金的磁致伸缩性能（图2）。第三元素掺杂是进一步改善Fe-Ga合金磁致伸缩性能的研究热点之一，包括：3d和4d过渡元素（Ni、Mo、V、Cr、Mn、Rh、Co等），Si、Ge、Sn和Al元素，间隙元素（C、B、N等）和稀土元素（Tb、Dy、Ce等）。Fe基磁致伸缩合金还包括与Fe-Ga合金特性相似的Fe-Al合金，在室温下具有高磁致伸缩性能、良好延展性、软磁性和低饱和磁场的Fe-Co合金，以及具有独特的马氏体变换和形状记忆效应的Fe-Pd合金等。（2）稀土系合金：典型的稀土系合金包括TbFe2、DyFe2、Tb-Dy-Fe等，其中TbFe2单晶的磁致伸缩能达到2600 ppm，然而立方Laves结构的TbFe2和DyFe2合金具有较大的各向异性，在大磁场（超过800 kA/m）下才能产生较大的磁致伸缩，这限制了它们的实际应用。而Tb-Dy-Fe合金（通常称为Terfenol-D）作为应用最广的磁致伸缩材料，具有超磁致伸缩特性（>2000 ppm）、低的室温各向异性，且饱和磁场远小于TbFe2和DyFe2合金，然而高成本、高脆性、难以机械加工是这一合金应用的主要限制。（3）铁氧体材料：铁氧体材料是由铁氧化物和一种或多种其他金属氧化物组成的复合氧化物。大多数铁氧体材料具有较强的磁性、高电阻和低涡流损耗，已广泛应用于永磁体、药物输送、微波器件和高密度信息存储。

Fig. 2 (a) The Time-Temperature-Transformation diagram for Fe-27Ga alloy. (b) Saturated magnetostriction of Fe-Ga alloys as a function of Ga content showing four regimes I ~ IV as arrowed. Q: water-quenched from 1000 °C; SC: slow-cooled at 10 °C•min−1 from 1000 °C. (c) Saturated magnetostriction 3/2 λ111 for Fe-Ga binary system and Fe-Ga ternary systems with the addition of Cr, Mn, or Co. The three-dimensional (3D) visualization of the diffraction pattern upon (d) heating and (e) subsequent cooling of Fe-26.2Ga-0.15Tb alloys after direct solidification.

3、磁致伸缩制备方法

为了获得更好的磁致伸缩性能，研究人员开发了一系列方法来制备磁致伸缩合金，主要包括：（1）定向凝固法用于制备具有大尺寸、规则表面、均匀组成和性能的多晶磁致伸缩材料，根据具体工艺又可分为悬浮区熔法、丘克拉斯基法和布里奇曼法（图3）；（2）轧制法主要用于制备具有良好塑性和延展性的磁致伸缩Fe基合金（图4a）；（3）快淬法通常用于制备磁致伸缩薄带（图4b）；（4）粘接法通过合金粉末与粘合剂制备形状复杂的磁致伸缩材料（图4c）；（5）磁控溅射法能够在低温下生长磁致伸缩薄膜（图4d）。

Fig. 3 Schematic setups for directional solidification methods. (a) Floating zone method, (b) Czochralski method, (c) Bridgman method.

Fig. 4 Schematic setups for (a) rolling method, (b) rapid quenching method, (c) bonding method, (d) magnetron sputtering method.

4、磁致伸缩测量方法

磁致伸缩测量方法包括直接测量法和间接测量法，其中直接测量法又分为应变片法（图5a）、电容膨胀法（图5b）和机械杠杆-光杠杆组合法（图5c）。应变片法性能稳定，是最为常用的磁致伸缩测量方法；电容膨胀法灵敏度高，能够测量固体中微小的宏观变化；机械杠杆-光杠杆组合法是通过光学原理测量磁致伸缩，方法简单，但测量精度有限，仅适用于尺寸较大的材料。间接测量法利用Villari效应测量磁致伸缩，主要包括应变调制铁磁共振法（图5d）和小角度磁化旋转法（图5e）。

Fig. 5 Measurement methods of magnetostriction: (a) strain gauge method. (b) capacitance dilatometry method. (c) synergetic measurement method by optical- and mechanical-levers, (d) strain modulated ferromagnetic resonance, (e) Small-angle magnetization rotation.

5、磁致伸缩合金的生物学性能及应用

磁致伸缩特性在生物医学领域展现了巨大的应用潜力，如温度、压力、液体粘度和流速的物理传感器，以及pH、二氧化碳等的化学传感器。因此，越来越多的研究集中在磁致伸缩合金的生物学性能及应用上。有学者利用巨噬细胞、成骨细胞和骨肉瘤细胞研究了Fe-Ga合金薄膜和微粒对细胞活力的影响，发现Fe-Ga合金膜对三种细胞的活性均无影响（图6a和b）。Fe88Ga12、Fe71Ga29和Fe40Ni38Mo4B18磁致伸缩合金的细胞毒性实验发现Fe40Ni38Mo4B18合金不具有生物相容性，而Fe88Ga12和Fe71Ga29合金降解产物对L929细胞活力无不良影响。此外，在外部磁场下，细胞在Terfenol-D/PVDF复合薄膜上的增殖能力显著提高（图6c和d）。

Fig. 6 (a) Live (green) and dead (red) Saos-2 cells and (b) percentage of viable macrophages, Saos-2 cells and hOBs growing on top of Fe-Ga alloy films or glass coverslips (Ctrl). Representative images of pre-osteoblast cultured after 72 h on Terfenol-D/PVDF composite films with (c) static and (d) dynamic conditions (nucleus stained with DAPI-blue and cytoskeleton stained with TRITC-red). Confocal laser scanning microscopy (CLSM) images of vinculin immunodetection (green), stress fibers distribution (red) and nuclei staining (blue) of (e) hOBs and (f) Saos-2 cells grown on Fe-Ga alloy films.

更令人振奋的是，近期研究表明磁致伸缩可以产生机械刺激对细胞行为进行调控。在交流或直流磁场的作用下，磁致伸缩材料会产生静态或动态应变，从而产生机械刺激，且磁致伸缩应变通常处于ppm水平，几乎不会对细胞造成物理损伤，动态机械刺激可通过一系列机械化学信号转导影响细胞行为。在此基础上，国内外学者开发了磁致伸缩一系列新颖的生物医学应用（图7），包括远程细胞行为调控、高灵敏度生物传感器、高性能无线植入器件等。

Fig. 7 The applications of magnetostrictive materials in biomagnetic field measurement and wireless implantable devices. (a) 3D schematic of the MEMS resonant magnetic field sensor based on AlN/FeGaB bilayer nanoplate resonator. (b) The ME sensor used for measuring R-waves in human heart. (c) Model for monitoring and evaluating the degradation rate of artificial bone and MBS refers to magnetoelastic-based sensor. (d) ME heterostructure consisting of a piezoelectric AlN film and a magnetostrictive FeGaB film.

综上，本文提出磁致伸缩的往复应变特性，能够通过体外远程控制产生体内机械应变，在调控细胞行为、加快组织再生等领域极具应用潜力，开辟了医工交叉研究新方向。未来研究重点：（1）磁致伸缩材料的体外和体内生物学性能评价；（2）磁致伸缩和力学性能兼备的生物医用材料；（3）具有复杂外形/结构磁致伸缩合金制备工艺；（4）体内环境下磁致伸缩精确控制；（5）磁致伸缩与细胞/组织相互作用及其调控机制。