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铁、锌、镁离子有毒吗?

已有 951 次阅读 2024-4-11 11:21 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记

2014年在科学网写过一篇“铁有毒吗”的博文,还被选为精选,感谢小编。今天想和大家从另一个角度来聊聊可作为可吸收支架主元素的铁、锌、镁离子的毒性。

如果是新入行的生物材料研究者,建议看看我前面的“铁有毒吗”博文,了解一些基本原理和法规。

今天想从饱和浓度和毒性浓度关系来说铁、锌、镁离子的毒性。因为任何情况下说某东西有毒,都是与剂量相关联的。即便著名的毒物砒霜,一天要摄入5mg才能毒死人。国内就有一款获批的载砒霜心脏支架。砒霜还能治疗白血病呢!

如果一个元素,其在人体环境下(只考虑水、温度和pH),它的饱和浓度低于毒性浓度,那肯定是无毒的,反之可能有毒,因此我大致算了一下三个元素在人体环境中的饱和浓度,再与其公布的毒性浓度比较,结果示意如下图。为了避免无聊的计算让大家昏昏欲睡,用三个美女代表三个元素,镁和铁的毒性浓度高于饱和浓度,也就是说镁和铁还没有到毒性浓度就饱和了,要么无法更快腐蚀(反应平衡),要么腐蚀后沉淀为固体腐蚀产物。但锌不同,锌的毒性浓度是高于饱和浓度的。

所以,锌如果腐蚀过快是可能导致毒性的。锌的细胞半致死毒性浓度是5ppm(平滑肌细胞)和17ppm(内皮细胞)。有很多数据证明大致是这个数,我们自己的测试也基本相符。

这导致体外测试锌材料毒性的时候遇到了问题,不知道体外测试的浸提液锌离子浓度是否代表体内真实的锌离子浓度。因为随着浸提时间延长,总会在一个时间后锌离子浓度上升到呈现出毒性的程度。这时候只能通过体内测试才能真正了解锌的毒性情况。但体内测试也不是那么简单的。

 

下左图是我们考虑了碳酸锌和磷酸锌情况下,计算的锌饱和浓度和毒性浓度关系图。可见只要当地碳酸根和磷酸根离子浓度能保持正常,锌就不会有毒性。因为人体环境下碳酸锌饱和锌离子浓度是0.19ppm,而磷酸锌是33ppm。远低于5-17ppm的毒性浓度。体内植入物总能在锌植入物表面形成磷酸锌或碳酸锌,这也是我们到目前为此,还没有报道锌体内植入显示毒性的原因。下右图是报道的锌丝植入老鼠20个月的支架杆截面元素分布图。

另外,镁、锌、铁都是人体中必需得营养元素,就是少了多了都会生病。因此人体进化了很强的镁、锌、铁离子的平衡机制。如人体中的转铁蛋白,一天可以结合20mg的铁,并将其转化为转铁蛋白储存起来备用,人体中储存了几克的铁。而下图所示的锌指蛋白也是人体中的锌离子调节机制。锌不足了锌指蛋白释放锌离子,反之结合锌离子。

 

说到这里,镁和铁的故事说完了,就是如果只是这两种离子,不用测试都是安全的。至于那些什么植入镁可以治癌,植入铁可能致癌的论文也没必要反驳了。除非一个植入物能推翻热力学原理,让镁、铁超越热力学平衡原理或生物学保护机制。当然这里讨论的只是镁、铁离子,不包括固体产物,不包括其他添加的元素。

但锌的故事则还没完,那就是一个植入物释放的锌离子,如果能消耗完当地的磷酸根、碳酸根和锌指蛋白,则浓度可以一路升高,直到杀死细胞。我们实测了植入一个镀锌铁支架的兔子腹主动脉血管壁的组织锌浓度,如下左图,组织锌含量尽然可以是空白血管的35倍。显然最高锌浓度与锌表面积及腐蚀速度有关,因此控制锌量和腐蚀速度是锌是否有毒的关键。

我们早期在血管病理片子脱水过程中,血管内壁支架杆表面析出了很多漂亮的磷酸锌和碳酸锌晶体,很像珍珠和钻石(下右图)。现在减缓了锌的腐蚀后,再也没有看到这些漂亮的析出物了。

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