鎂被視為革命性的金屬生物植入材料，其腐蝕降解行為是長(zhǎng)期以來的研究熱點(diǎn)。在植入材料的服役期內(nèi)，植入物與周圍環(huán)境的相互作用會(huì)影響其表面狀態(tài)，影響鎂及其合金的降解。以往研究集中于無機(jī)離子和小分子有機(jī)物對(duì)鎂腐蝕行為的影響。除此之外，蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物對(duì)鎂腐蝕的影響也備受關(guān)注。然而，已發(fā)表的論文中關(guān)于蛋白質(zhì)對(duì)鎂腐蝕影響的研究結(jié)果存在一定差異。因此，有必要在復(fù)雜的偽生理介質(zhì)中進(jìn)一步研究并闡明蛋白質(zhì)對(duì)鎂腐蝕的潛在作用機(jī)制。

        最近，來自德國(guó)亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)吉斯達(dá)赫特材料及海岸研究中心的梅迪博士（現(xiàn)為鄭州大學(xué)講師）、Sviatlana Lamaka博士與Mikhail Zheludkevich教授等人綜合運(yùn)用析氫測(cè)試、失重測(cè)試、微區(qū)pH監(jiān)控、原位連續(xù)阻抗監(jiān)控等手段研究了純鎂在含牛血清白蛋白（BSA）的Hank’s平衡鹽溶液（HBSS）中的腐蝕行為，重點(diǎn)探討了白蛋白對(duì)純鎂腐蝕行為的影響機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，白蛋白對(duì)鎂腐蝕行為的影響主要包含吸附作用、Ca2+/Mg2+絡(luò)合作用和pH緩沖作用等三種機(jī)制。這項(xiàng)工作加深了對(duì)復(fù)雜偽生理環(huán)境中鎂腐蝕降解行為的理解。

研究了添加白蛋白對(duì)純鎂腐蝕速率的影響，結(jié)果如圖1所示。在兩種介質(zhì)中，純鎂在初期的腐蝕速率較快，而后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。在浸泡的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，HBSS+BSA中的CP Mg腐蝕速率顯著高于在HBSS中的；但隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，腐蝕速率逐漸降低。如圖1（b）所示，浸泡初期，CP Mg在HBSS+BSA中的瞬時(shí)析氫速率非常高，但在浸泡13小時(shí)后，腐蝕速率低于HBSS中的。根據(jù)24 h后析氫的總體積可知，BSA加速了CP Mg在HBSS中的腐蝕。

圖1 (a) CP Mg在HBSS和HBSS+BSA中浸泡24小時(shí)的析氫曲線，(b)依據(jù)(a)計(jì)算的瞬時(shí)析氫速率

        重點(diǎn)研究了添加白蛋白對(duì)測(cè)試期間純鎂表面微區(qū)pH的演變，結(jié)果如圖2所示。在HBSS中浸沒10分鐘后，局部pH值約為8.5；穩(wěn)定30分鐘后，pH略微下降至8.3-8.4。浸泡1小時(shí)后，樣品發(fā)生絲狀腐蝕（圖2a中箭頭標(biāo)記處）。隨著絲狀腐蝕從樣品邊緣向中心蔓延，浸泡1.5小時(shí)后的線掃描顯示出絲狀腐蝕區(qū)域的局部pH值較高。然而，由于介質(zhì)不斷更新和含有Ca2+、Mg2+、HPO42-/H2PO4-和HCO3-鈍化層的不斷形成，局部pH值隨后再次下降。這表明HBSS組分對(duì)純鎂腐蝕具有重要的保護(hù)作用。在HBSS+BSA中，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，局部pH值在浸泡30分鐘后逐漸降低至8.3左右；浸泡6小時(shí)內(nèi)的局部pH最高值始終保持在8.5以下。盡管HBSS和HBSS+BSA中的局部pH值相近，但HBSS+BSA中的局部pH值在浸泡初期的3小時(shí)內(nèi)始終波動(dòng)明顯，與HBSS中局部pH演變不同。含Ca2+、Mg2+、HPO42-/H2PO4-和HCO3-的致密共沉淀層對(duì)基體有一定保護(hù)作用，減緩了HBSS中純鎂的腐蝕速率，并導(dǎo)致HBSS中的局部pH值穩(wěn)定且較低。在HBSS+BSA中，BSA的加入激活了Mg/介質(zhì)界面的腐蝕反應(yīng)，導(dǎo)致CP Mg在HBSS+BSA中比在HBSS中腐蝕更快。

圖2 浸入(a, b) HBSS中的CP Mg表面50 μm處的局部pH測(cè)量（線掃描），(c, d) 浸入過程中的HBSS+BSA中的CP Mg表面50 μm處的局部 pH測(cè)量（線掃描）。所有測(cè)量均在流體動(dòng)力學(xué)條件下進(jìn)行，流速為1.0 mL/min。光學(xué)顯微照片顯示了測(cè)試過程中兩個(gè)樣品的視覺外觀

        通過原位連續(xù)阻抗監(jiān)控白蛋白對(duì)純鎂腐蝕過程中表面膜層生成的影響，結(jié)果如圖3所示。HBSS中的Bode圖在約10 kHz頻率處存在一個(gè)附加的時(shí)間常數(shù)（圖3a、3b中箭頭標(biāo)記處），這主要?dú)w因于形成了含Ca2+、Mg2+、HPO42-/H2PO4-和HCO3-的半保護(hù)性產(chǎn)物層。而添加BSA后，在10 kHz頻率處并未明顯觀察到附加的時(shí)間常數(shù)（如圖3d虛線箭頭標(biāo)記處）。在HBSS中，高頻時(shí)間常數(shù)的快速增長(zhǎng)證明了共沉淀層的快速形成；而在含白蛋白的HBSS中，其形成明顯延遲。在浸泡初期，蛋白質(zhì)的吸附和共沉淀層的形成受到抑制，導(dǎo)致了CP Mg在含白蛋白的HBSS中快速腐蝕。隨著浸泡時(shí)間增加，蛋白質(zhì)吸附和沉淀層形成之間的協(xié)同作用對(duì)CP Mg腐蝕起一定保護(hù)作用，減緩了腐蝕。

圖3 在HBSS (a, b)和HBSS+BSA (c, d)中浸泡24小時(shí)期間CP Mg的交流阻抗Bode圖演變

        根據(jù)上述研究結(jié)果，圖4描述了在浸入HBSS的初始階段中白蛋白-鎂的相互作用機(jī)制，主要有吸附作用、絡(luò)合作用和pH緩沖作用。蛋白質(zhì)對(duì)純鎂腐蝕的最終影響源于上述三種機(jī)制的協(xié)同作用。

圖4 HBSS+BSA中短時(shí)腐蝕試驗(yàn)中白蛋白對(duì)CP Mg腐蝕影響機(jī)制示意圖

        綜上所述，本研究著眼于純鎂在含白蛋白HBSS腐蝕過程中的鎂/介質(zhì)界面反應(yīng)，總結(jié)了白蛋白對(duì)鎂腐蝕行為影響的三種作用機(jī)制。這對(duì)于進(jìn)一步深入理解復(fù)雜偽生理環(huán)境中鎂的腐蝕降解行為具有重要意義。