真实的生理环境会对医用镁合金植入材料施加不同频率的动态载荷，进而影响镁合金的降解行为。本研究设计并搭建了体外模拟动态交变循环载荷降解实验平台，研究了不同频率（f ）的动态载荷下AZ31镁合金的降解。研究表明动态载荷环境加速了镁合金的体外降解，在低频范围内降解早期，腐蚀电流密度（icorr）与f 之间存在lnicorr~f 的关系。

01、研究内容简介

近年来，镁及其合金因其良好的生物相容性和独特的可降解性而引起了广泛的研究关注，在生物医学特别是医疗植入器械领域表现出巨大的应用前景。对于镁合金在生物医用植入领域的应用，人们最为关注的是其降解性能。目前对镁合金体外降解行为的研究多采用静置浸泡降解实验。而人体真实的生理环境比外部模拟环境要复杂得多。患者的日常活动和各种生理行为，都会对体内植入医疗器械施加不同形式和频率的动态载荷。

人体的生理应力环境一般具有动态变化的特点，不同人体活动下的动态载荷加载频率也不同。一般来说，生物医用植入器械在体内承受的动态载荷生理频率大多是低频（0.5~3 Hz），例如骨科和心血管植入器械承受的动态应力加载频率分别约为0.5~3 Hz和0.8~2 Hz。目前，针对动态载荷环境的研究多采用腐蚀疲劳实验来研究镁合金的降解行为，而为了快速评估镁合金材料的使用寿命，缩短体外实验时间，腐蚀疲劳实验中设定的动载荷频率范围通常为5~20 Hz，远高于实际生理载荷频率。在本工作中，对AZ31镁合金在Hank’s平衡盐溶液 （HBSS）中受到动态拉压交变循环载荷时的降解行为进行了研究。基于实验需求设计并搭建了自制的模拟动态交变循环载荷降解实验平台（Fig.1），专门用于施加不同频率的交变循环动态载荷，并实时原位采集降解过程中材料的电化学数据。在此基础上探讨了动态交变循环加载对镁合金腐蚀性能和降解过程的影响，并进一步分析讨论了外加应力频率对AZ31生物腐蚀行为的作用。

Fig.1 Schematic illustration of apparatus in dynamic cyclic loading test.

从外加动态应力环境中镁合金腐蚀介质HBSS的pH值变化规律（Fig.2）可以看出，动态频率越高，每24 h更换的溶液pH值升高越明显，且pH值随时间延长的衰减也较为平缓。说明低频动态载荷加速了镁合金样品的整体腐蚀，在较高频率的动态应力下，镁合金的降解速率更快，同时快速降解阶段持续时间也较长。

Fig.2 The pH value of HBSS solution changes under the dynamic load of 20 MPa, (a) loading frequency between 0~0.75 Hz, (b) loading frequency between 1~2.5 Hz.

降解失重实验结果和由失重换算得到的腐蚀电流密度值的变化（Fig.3）表明，随着外加载荷的频率升高，镁合金样品的失重率及失重速率均有明显提高。说明动态交变载荷的频率加快可以加速镁合金样品的腐蚀，且载荷频率越高，这种加速影响越明显，腐蚀相同时间阶段内的平均腐蚀速率也越快。

Fig.3 Corrosion behavior of Mg alloy under different loading frequency. (a) the variation of ω and v, (b) the variation of iv.

通过对电化学阻抗（EIS）数据的采集（Fig.4）和拟合，计算得到不同动态载荷频率条件下AZ31镁合金极化电阻随时间变化情况（Fig.5）。在0~12 h内随着浸泡时间的延长，不同频率动态载荷下镁合金的极化电阻均呈现逐渐增大的趋势，表明此阶段内镁合金表面的腐蚀产物生成和沉积产物堆积速度高于膜层的溶解破坏速度；在10~24 h内，不同频率动态载荷作用下镁合金的极化电阻相继达到最大值；在24~120 h的浸泡阶段内，样品的极化电阻在整上呈现减小的趋势，表明镁合金表面的腐蚀产物生成和沉积产物堆积速度低于膜层的溶解破坏速度。同时可以观察到，当动态载荷的频率升高时，镁合金样品的极化电阻在整体上也呈现增大的趋势，而降解后期镁合金的极化电阻波动也更显著，表明高频动载对镁合金表面腐蚀产物层的生成和破坏作用大于低频动载。

Fig.4 The EIS nyquist plots of magnesium alloy changes with time under the dynamic load of 20MPa (a) 0.1 Hz, (b) 0.5 Hz, (c) 1 Hz, (d) 1.5 Hz, (e) 2 Hz, (f) 2.5 Hz

Fig.5 The change of the polarization resistance of magnesium alloy with time under dynamic load (a) 0.1~0.75 Hz, (b) 1~2.5 Hz.

根据电化学数据计算得到镁合金腐蚀电流密度（icorr）理论值与实验值的变化（Fig.6a, 6b）可以看出，动态交变载荷作用下镁合金降解早期的腐蚀电流密度与动载频率之间存在近似ln icorr ∝ f的线性关系。而通过降解失重实验得到的实验结果也进一步（Fig.6c）验证了种数值关系。

Fig.6 The experimental and theoretical values of the corrosion current density of magnesium alloy under dynamic alternating load, (a) icorr obtained by EIS experiment of 48 hrs and 72 hrs immersion, (b) icorr obtained by EIS experiment of 96 hrs and 120 hrs immersion, (c) the average corrosion current density iv obtained by weight loss experiment.

综上所述，本工作主要研究了AZ31镁合金在外加不同频率的动态循环交变载荷作用下降解行为的变化规律，讨论了不同动态载荷频率和降解时间对镁合金降解行为和降解速率的影响，并分析了镁合金降解速率和动态载荷频率之间的定量数值关系。结果表明外加动态载荷环境下镁合金的腐蚀速率受动载频率的影响，腐蚀电流密度与频率之间存在近似的线性关系。

希望本工作可以有助于开发降解时间可控的新型可生物降解植入材料，进一步提高可降解植入材料在人体的临床适用性，并为镁合金在生理应力环境下的腐蚀疲劳评估提供一定的实验参考。