镁合金腐蚀研究进展（42）-氨基酸在磷酸盐缓冲液中对纯镁降解行为的影响

    镁及其合金具有良好的力学相容性和生物相容性等特点，使其成为生物医用材料的研究热点，但过快的腐蚀速率制约着它的临床应用。作为植入体，镁在人体环境中受到多种环境因素的影响。人体体液中既有Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-、HPO₄^2-和H₂PO₄^-等无机阴离子，也含有蛋白质、葡萄糖、氨基酸等有机成分。前期包括我们课题组已有涉及无机离子、蛋白质和葡萄糖对镁合金降解的影响报道[1-3]。但是，氨基酸对镁合金降解行为的影响鲜见报道。

    氨基酸是构成蛋白质的基本单位。蛋白质是生命活动的主要承担者，具有结构多样性和功能多样性。材料植入后，腐蚀过程不仅受到环境中无机成分的影响，也会受到有机物尤其是蛋白质的影响。植入体表面最先与体内的血液和组织接触。在植入短时间内，蛋白质将吸附在表层形成蛋白质吸附层。该吸附层不但会影响金属表面的凝血、细胞及细菌粘附作用，而且也显著影响金属材料的腐蚀。

    目前有关大分子蛋白质（如白蛋白等）对镁合金降解行为的影响研究多涉及材料表界面宏观形貌观察与电化学腐蚀与阻抗分析，对于深入理解医用镁合金降解机理有其局限性。事实上，参与蛋白质组成的20种基本氨基酸，根据基因表达排列组合成不同的蛋白质。因此，蛋白质多样性源于氨基酸的多样性。

氨基酸组成及种类（图片来源于网络）

    氨基酸是由氨基和羧基等官能团及必要的侧链基团组成。研究表明，氨基酸在Cu、Al等金属腐蚀过程中可作为缓释剂。研究氨基酸在镁合金降解过程中所扮演的角色，对进一步探究蛋白质的作用机理有重要的理论意义。

    本实验研究目的是探讨三种性质的氨基酸对纯镁降解机理的影响，从氨基酸分子结构与等电点的视角开展生物医用镁的降解机制研究。实验中，根据氨基酸的分类和在人体体液中的浓度选取了三种代表性的氨基酸，即丙氨酸(alaine, C₃H₂NO₂)、谷氨酸(glutamic, C₅H₉NO₄)、赖氨酸(lysine, C₆H₁₄N₂O₂)。且三种氨基酸有着相差较大的等电点（pI），其中丙氨酸为6.02，谷氨酸为3.22，赖氨酸为9.74。当氨基酸的等电点低于溶液pH值时，分子在溶液中会带有负电荷，反之亦然。

    研究结果表明，选用的三种氨基酸均对纯镁基体有缓蚀作用，且缓蚀作用大小依次为：丙氨酸、谷氨酸、赖氨酸。电化学实验表明，带正电荷或带负电荷的氨基酸分子的会影响基体的电化学行为。带负电荷的丙氨酸和谷氨酸表现出更好的缓蚀性；而带正电荷的赖氨酸缓蚀效果相对较差。氨基酸分子会与镁离子和磷酸根离子反应生成不同的镁磷酸盐沉淀在基体表面，抑制基体的腐蚀，并且这种反应与氨基酸的碳链长短有关。碳链越短，反应越容易发生。

    该项工作“In vitro corrosion of pure Mg in phosphate buffer solution — Influences of isoelectric point and molecular structure of amino acids”近日在线发表在国际生物材料期刊《Materials Science and Engineering: C》(IF4.959)(Y. Wang et al. 2019,doi.org/10.1016/j.msec.2019.110042)。第一作者为硕士研究生王玉，现为中国科学院海洋所博士生，通讯作者为山东科技大学曾荣昌、刘青云教授。

Highlights

1. The presence of amino acids shifts the anodic polarization behaviour of pure Mg.

2. All selected amino acids delay corrosion rate of pure Mg in PBS.

3. Negatively charged alanine and glutamic acid show better inhibition of corrosion.

4. Selected amino acids promote the formation of magnesium hydroxide phosphates.

5. The corrosion mechanism of amino acids on magnesium is proposed.

Fig. 1 3 D structures of the selected amino acids: (a) alanine, (b) glutamic acid and (c) lysine.

Fig. 2 Plots of (a) HER and (b) pH values as a function of immersion time immersed in PBS with and without amino acids with respect to pure Mg.

Fig. 3 Plot of (a) OCP vs. immersion time, and (b) polarisation in PBS with and without amino acids.

Fig. 4 Plots of (a) Nyquist (including the fitting curves), (b) Bode plots of Zmod, (c) Bode plots of Phase angle and (d) equivalent circuits of EIS spectra.

Fig. 5. Weight loss data after 8 days of exposure.

Fig. 6 Secondary electron microscopy graphs and EDS of pure Mg surface after immersions of 192 h in: (a, a’, a’’) PBS, (b, b’, b’’) PBS + lysine, (c, c’, c’’) PBS + glutamic acid, (d, d’, d’’) PBS + alanine.

Fig. 7 High resolution XPS spectra of pure Mg surface after immersion in PBS with alanine, glutamic acid and lysine (a-c) C1s; (d-f) N1s; (g-j) P2p; and (k) XPS broad survey.

Fig. 8 Curves of absorbance of the PBS solutions with amino acids after immersing pure Mg for different time.

Fig. 9 Schematic illustration of the corrosion process of pure Mg during immersion in PBS with three amino acids.

 参考文献

[1] R.-C. Zeng, Y. Hu, S.-K. Guan, H.-Z. Cui, E.-H. Han, Corrosion of magnesium alloy AZ31: The influence of bicarbonate, sulphate, hydrogen phosphate and dihydrogen phosphate ions in saline solution, Corrosion Science, 86 (2014) 171-182.

[2] A. Yamamoto, S. Hiromoto, Effect of inorganic salts, amino acids and proteins on the degradation of pure magnesium in vitro, Materials Science and Engineering: C, 29 (2009) 1559-1568.

[3] R.C. Zeng, X.T. Li, S.Q. Li, F. Zhang, E.H. Han, In vitro degradation of pure Mg in response to glucose, Scientific reports, 5 (2015) 13026.