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镁合金因其优异的生物相容性、可控降解性、高比强度及环境友好特性，在生物医用领域，尤其是骨科固定器械和心血管支架方面展现出巨大潜力。然而，多组元镁合金中杂质元素和多元相的存在导致其生物相容性、降解速率及体内免疫稳定性不理想，限制了其临床应用。因此，二元镁合金体系因其组元简单、工艺可控性强及成本优势而备受关注。本文以Mg-Sc二元镁合金为研究对象，探讨Sc含量对合金微观组织和生物降解性能的影响。文章基于西南大学郭胜锋团队研究成果及国家自然科学基金、重庆市大学生创新创业训练计划项目资助。

目前广泛应用的镁合金材料如WE43、AZ31等，虽然具有优良的力学性能和铸造性，但存在生物相容性差、降解速率过快等问题。二元镁合金体系如Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Ca等虽能简化组元并改善部分性能，但仍面临耐蚀性不足的核心瓶颈。稀土元素Sc的添加被证明可显著改善镁合金的抗腐蚀性能，Sc原子与Mg原子半径相近，易于形成固溶体，并通过钉扎位错强化基体。同时，Sc₂O₃氧化膜的自修复特性可有效延缓Cl⁻侵蚀。因此，研究Mg-Sc二元镁合金的生物降解行为及其力学性能具有重要意义。

（1）二元体系简化

本研究聚焦于Mg-Sc二元镁合金，通过简化合金组元、减少杂质元素和多元相的影响，从而提高合金的生物相容性和耐蚀性。

（2）Sc元素固溶强化

Sc元素的添加通过固溶强化效应和细小弥散MgSc第二相的协同作用，显著提升合金的力学性能。Sc原子与Mg原子半径相近，易于形成固溶体，细化晶粒并提高合金的弹性模量和硬度。

（3）生物降解性能优化

通过系统研究不同Sc含量（0.3 wt.%和0.6 wt.%）的Mg-Sc合金在Hank’s溶液中的生物降解行为，发现适量Sc元素的添加可显著提升合金的耐蚀性。Mg-0.3Sc合金展现出最佳的耐蚀性和力学性能综合平衡。

（4）多重表征手段

采用SEM、EDS、XPS、弹性模量测试、析氢失重和电化学试验等多种手段，全面表征合金的微观组织、力学性能和生物降解性能，为合金性能优化提供科学依据。

图1 Mg-xSc（x=0.3、0.6）合金微观组织SEM图像：(a)、（b) Mg-0.3Sc；(c)、（d) Mg-0.6Sc

Fig.1 SEM image of Mg-xSc(x=0.3,0.6) alloys: (a),（b) Mg-0.3Sc；(c),（d) Mg-0.6Sc

图2 Mg-xSc (x=0.3、0.6）Hank’s溶液中浸泡不同时间后Mg(a)和Sc(b)含量图

Fig. 2 The content of Mg  (a) and Sc (b) in Hank's solution of Mg-xSc (x=0.3,0.6) after different

图4 Mg-xSc (x=0、0.3、0.6）合金电化学阻抗图谱和等效电路图：(a)Nyquist图； (b) 阻抗频率图；(c) 相位角频率图;(d)等效电路图

Fig.4 Electrochemical impedance spectra and Equivalent circuit of Mg-xSc (x=0,0.3,0.6） alloys: (a)Nyquist diagram; (b)Impedance frequency diagram; (c)Phase angle frequency diagram;(d) Equivalent circuit

图5 Mg-xSc (x=0、0.3、0.6）合金在Hank’s溶液的极化曲线

Fig.5 Polarization curves of Mg-xSc (x=0,0.3,0.6） alloys in Hank's solution

图8 Mg-xSc合金在Hank's溶液中的腐蚀机制

Fig.8 The corrosion mechanism of Mg-xSc alloy in Hank’s solution

本研究表明，Mg-0.3Sc合金通过Sc元素的固溶强化效应与细小弥散MgSc相的协同作用，显著提升了合金的力学性能和生物降解性能。具体而言，Mg-0.3Sc合金的弹性模量达到50 GPa，维氏硬度为54.2 HV，降解速率为0.103 mm/y，展现出良好的综合性能。适量Sc元素的添加可细化晶粒并促使第二相均匀分布，形成致密的腐蚀屏障以抑制Cl⁻渗透，从而提升合金的耐蚀性。然而，Sc含量过高（0.6%（质量分数））时，第二相过度富集，导致位错钉扎效率降低，腐蚀优先形核点增多，同时诱发局部应力集中与微电偶效应，最终导致硬度下降和耐蚀性变差。因此，Mg-0.3Sc合金在生物医用领域，尤其是需要长期服役的植入器械方面，展现出广阔的应用前景。

文章发表于《功能材料》2025年第56卷第9期，欢迎引用本文：    

沈菁涵,刘佳宁,丁雨昕,等.MgSc二元镁合金微观组织及生物降解行为[J].功能材料,2025,56(9):09221-09228.

SHEN J H,LIU J N,DING Y X,et al.Microstructure and biodegradation behavior of MgSc binary magnesium alloy[J].Journal of Functional Materials,2025,56(9):09221-09228.