葡萄糖和氨基酸对纯镁腐蚀的影响

曾荣昌 山东科技大学

   在人体生理环境中，可降解镁的腐蚀不仅涉及无机物（如Cl⁻、 HPO₄²⁻、 HCO₃⁻和 Ca²⁺)，也与有机物（如葡萄糖、蛋白质或氨基酸）有关。    

   目前，尽管有许多研究涉及合金元素、第二相、及其它成分和Tris-HCl，我们还缺乏对生物医用镁腐蚀的全面理解。  

   大多数情况下，医用镁合金体外腐蚀试验是在0.9%NaCl、磷酸缓冲溶液（PBS）、Hank's 溶液，在这些溶液中仅有无机离子存在，诸如：Cl⁻、 HPO₄²⁻、 HCO₃⁻ 和 H₂PO₄⁻。镁及其合金与溶液的交互作用导致镁的离子化，镁离子与上述阴离子反应形成沉积物。

   我们注意到，在人体体液中除了无机离子，还有大量有机物，它们对镁的腐蚀也有重要影响。然而，相关研究很少报道。我们前期研究发现，在0.9%NaCl溶液中，随葡萄糖浓度(25 g/L)的增加，纯镁的腐蚀速率增加。这是因为葡萄糖转变为葡萄糖酸，导致溶液酸化。相反地，在hank's溶液中，随葡萄糖浓度的增加，腐蚀速率降低。这是因为葡萄糖促进了镁表面Ca-P产物的形成。

   蛋白质作为生物大分子，在镁的腐蚀过程中起着重要作用。蛋白质分子与金属表面通过静电吸附、共价键和离子键发生交互作用。这一过程受到许多因素的影响，例如，溶液成分、蛋白质浓度以及材料的物理性质。吸附和络合是蛋白质影响镁降解的主要机制。

   涉及蛋白质对镁的腐蚀机制存在不同的争论。一种观点认为，由于蛋白质的吸附以及在镁表面形成蛋白质的吸附层，从而降低镁的腐蚀速率。而且，蛋白质浓度越高，对腐蚀的阻滞效果也更为明显。另一种观点认为，蛋白质加速镁的腐蚀速率。这是由于蛋白质的羧基失去氢离子，而导致溶液pH值的变化。

   蛋白质是由氨基酸组成的。常见的氨基酸有20种。因此，有必要了解氨基酸对镁腐蚀的影响。虽然有报道，氨基酸加速纯镁的溶解。但仍然有必要进一步了解氨基酸对镁腐蚀的影响。特别是，葡萄糖和氨基酸的耦合对镁腐蚀的影响还有待阐释。

        本研究表明，葡萄糖（2.0 g/L）和氨基酸均阻滞纯镁在0.9%NaCl中的腐蚀。但葡萄糖和氨基酸的耦合加速了纯镁的腐蚀速率。这是因为在氨基酸和葡萄糖之间形成了-C=N- 键(Schiff bases) , 它限制了形成Mg(OH)₂沉淀。

      此项工作“In Vitro Degradation of Pure Magnesium―The Effects of Glucose and/or Amino Acid”发表在期刊《Materials》（2017, 10, 725）,并得到了国家自然科学基金项目(51571134)和山东科技大学科研创新团队经费(2014TDJH104)的支持。

Fig. 1. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of a pure Mg surface after immersion in
solution #2 through #4 for various periods showing the (a) entire range of the binding energy survey and (b) C 1s spectra for sample surfaces after immersion in solution #2 to #4 for 1 h and 12 h; C 1s spectra of samples immersed in (c) solution #2, (d) solution #3 and (e) solution #4 for 12 h; Mg 1s spectra for samples after immersion (f–h) in solution #2 to #4 for 12 h.

Fig. 2 Schematic illustration of the corrosion process of pure Mg during immersion in solution #4: (a) I stage; (b) II stage; and (c) III stage

相关链接：

materials-10-00725.pdf

博文：镁合金腐蚀研究进展（八）—葡萄糖对镁体外腐蚀/降解行为的影响