葡萄糖和蛋白质的协同作用对纯镁体外降解行为的影响

摘要：镁在体外模拟体液中的生物腐蚀仍然难以用来准确地评价在体环境如高血糖或糖尿病患者的微环境降解行为。葡萄糖和蛋白质的协同作用在一定程度上抑制了侵蚀性氯离子在纯镁表面的吸附，从而减缓了纯镁的降解行为。研究发现，葡萄糖促进了蛋白质在镁表面的吸附，并且不同葡萄糖或蛋白质浓度对纯镁降解行为的影响不同。

我国是糖尿病发病大国，位居全球第一。2019 年中国糖尿病患病率已达10.9%。中国预估有1.16 亿名成年人患有糖尿病。我国人口老龄化及数量庞大的高血糖和糖尿病患者，对国家经济高速发展与社会安全稳定影响巨大。高血糖抑制人体骨钙吸收和骨矿化。因此，高血糖、糖尿病患者及老年人骨质疏松，易发骨折。糖尿病与人体缺镁症有关。

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。但其过快的腐蚀降解速率制约着它的临床应用。在人体微环境中，各类无机盐离子（如Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-、HPO₄^2-和H₂PO₄^-等）对镁及合金的影响研究较多。然而，有机分子如葡萄糖、氨基酸、蛋白质等研究甚少，而有机分子是人体中最重要的能量和遗传表达物质，其影响不可忽视。

前期包括我们课题组对人体微环境中无机离子、葡萄糖对镁合金降解的影响有过探究。但是，多种有机分子同时存在对镁合金降解行为的影响鲜见报道。我们前期对其研究发现，在0.9wt%NaCl溶液中，随生物小分子葡萄糖浓度(25g/L、50g/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合金表面Ca-P产物的形成。

蛋白质作为生物大分子，在镁合金的腐蚀过程中起着重要作用。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。

我们研究发现，低浓度葡萄糖（2g/L）对镁合金的降解过程起抑制作用。这是由于葡萄糖吸附在纯镁表面，对溶液中氯离子有阻挡作用，并且改变了镁表面微观腐蚀形貌；蛋白质在前期抑制纯镁降解，后期则促进镁降解。这可能是由于前期蛋白质吸附形成一层阻挡层防止溶液中侵蚀性离子对样品的影响，后期蛋白质会与镁表面的腐蚀产物层发生反应，加速镁的降解。葡萄糖和蛋白质同时存在时对镁降解的抑制效果增强，降解速率明显降低。

图1 纯镁浸泡在有无葡萄糖或蛋白质的0.9wt% NaCl溶液中的析氢速率曲线和pH变化。

图2 纯镁在不同溶液中浸泡后的XPS分析。

图3 纯镁在不同溶液中浸泡不同时间后（a）0h，(b)0.5h，(c)2h和(d)24h的荧光标记实验。

通过XPS检测，我们发现葡萄糖和蛋白质同时存在时的N含量较单独蛋白质时的N含量有所增多。这说明葡萄糖一定程度上促进了蛋白质在样品表面的吸附。通过荧光检测，我们发现葡萄糖和蛋白质在前期快速吸附在样品表面，在浸泡2h左右吸附程度最大；随着样品的腐蚀和表面腐蚀产物的产生，表面吸附的有机物会发生脱落。

我们还探究了不同浓度的葡萄糖（2g/L、20g/L）和蛋白质(0.1g/L、10g/L)对镁基体降解的影响。结果表明，低浓度的葡萄糖或蛋白质抑制镁的降解，高浓度的葡萄糖或蛋白质促进其降解行为。

图4 纯镁在葡萄糖和蛋白质同时存在的NaCl溶液中的降解机理图

本研究探究了葡萄糖和蛋白质对纯镁体外降解的影响，阐释了其降解机理。以此为基础，更加合理地调控镁及镁合金的降解速率，对镁合金在人体特别是糖尿病患者内的植入有一定的借鉴意义。

原文信息：

Wei Yan, et al.  In vitro degradation of pure magnesium―the synergetic influences of glucose and albumin, Bioactive Materials, 5(2020) 318-333, DOI: 10.1016/j.bioactmat.2020.02.015

信息来源：

Bioact Mater生物活性材料：葡萄糖和蛋白质的协同作用对纯镁体外降解行为的影响