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可降解鎂合金植入器械在胃腸道中的應(yīng)用正逐漸受到關(guān)注。然而，相比于體液環(huán)境，胃腸道環(huán)境更為復(fù)雜，不同的pH、消化酶及離子都給鎂合金的應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)。本文通過(guò)模擬胃腸道pH值和基礎(chǔ)離子環(huán)境，研究了胃蛋白酶和胰酶對(duì)鎂合金絲材在模擬胃液和小腸液中降解行為的影響，為胃腸道鎂合金植入物的研發(fā)提供了參考。

01、研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介

鎂及其合金因其良好的力學(xué)性能和生物降解性被視為革命性的金屬生物植入材料而受到廣泛關(guān)注，其植入物的腐蝕降解行為長(zhǎng)期以來(lái)也是研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，醫(yī)用鎂合金在骨科、心血管領(lǐng)域已取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。隨著鎂合金塑性成形的不斷提高，高性能鎂絲、管、箔等精密微型材料的制備加工也日趨成熟，他們?cè)谖改c道手術(shù)中的應(yīng)用潛力正逐漸被挖掘，學(xué)者已相繼開(kāi)發(fā)出如可降解膽道支架、可降解吻合釘、可降解環(huán)形吻合器等鎂合金植入器械。然而，胃腸環(huán)境與體液、血液環(huán)境不同。胃腸道由胃、小腸和大腸組成，它們?cè)谙^(guò)程中扮演不同的角色，其內(nèi)部環(huán)境——pH值、消化酶和離子濃度等也存在明顯的差異（Fig. 1）。目前，盡管已有大量工作基于植入部位的實(shí)際生理環(huán)境研究了鎂合金的體外降解行為，但鎂合金在胃液和腸液中的降解行為的研究工作報(bào)道還相對(duì)較少。

Fig. 1. The diagram of the gastric and intestinal environment.

無(wú)機(jī)離子以及離子與pH值共同作用對(duì)鎂合金降解的明顯影響已經(jīng)被廣泛研究。近年來(lái)的一些研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)化合物，如血清蛋白、賴(lài)氨酸、谷氨酸等，通過(guò)在鎂合金表面的螯合/結(jié)合或吸附作用也對(duì)其降解產(chǎn)生了不可忽視的影響。然而，有機(jī)物在不同介質(zhì)中對(duì)降解速率的影響也不同。已有的研究報(bào)道表明，吸附的白蛋白一方面可以作為鎂合金降解的有效保護(hù)層，另一方面也會(huì)通過(guò)螯合作用影響降解層的形成，使腐蝕速率提高。谷氨酸的加入延緩了鎂在磷酸鹽緩沖液（PBS）中的降解，卻加速了鎂在漢克平衡鹽溶液（HBSS）中的降解速率。此外，關(guān)于有機(jī)物對(duì)鎂合金降解的pH緩沖作用也有報(bào)道。目前，雖然已有研究探討了鎂合金在消化道中的應(yīng)用潛力，但胃蛋白酶和胰酶對(duì)鎂合金在胃液環(huán)境和腸液環(huán)境中降解的影響還尚不清楚。本研究采用直徑1.0 mm的Mg-Zn合金絲材，使其盡可能地接近胃腸吻合器的材料狀態(tài)。研究了兩種典型消化酶分別在模擬胃液（SGF）和模擬腸液（SIF）中對(duì)鎂合金絲材降解行為的影響。

研究結(jié)果表明，在模擬胃環(huán)境中，胃蛋白酶的添加會(huì)減緩鎂合金的降解速率，但在模擬腸液環(huán)境中，胰酶的添加加速了鎂合金的降解（Fig. 2）。相應(yīng)的電化學(xué)阻抗測(cè)試也同樣證實(shí)了這一現(xiàn)象（Fig. 3）。

Fig. 2. Plots of the mass loss ratio (a) and corrosion rate (b) calculated from mass loss data of Mg-Zn wires for 96 h immersion in different media.

Fig. 3. Plots of EIS results of Mg-Zn wires immersed in different media, (a) Nyquist, (b) Bode plots of -phase angle vs frequency, (c) Bode plots of |Z| vs frequency (In order to compare the difference among samples in solutions, the solution resistance was zeroed).

消化酶的存在同時(shí)還造成了具有明顯差異的降解形貌（Fig. 4）。樣品浸泡24 h后，相比浸泡在無(wú)胃蛋白酶的SGF中，浸泡在SGF中的試樣表面形成了較為致密的降解產(chǎn)物。表面能譜檢測(cè)到P元素和N元素的存在，說(shuō)明胃蛋白酶參與了降解產(chǎn)物的形成。在添加有胰酶的SIF中，含有N元素的絮凝沉積物隨機(jī)分布在表面。隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)至96 h，在沒(méi)有胃蛋白酶的SGF中，樣品表面可以看到嚴(yán)重的局部腐蝕。而浸泡在SGF中試樣，均勻腐蝕面積更大，但局部腐蝕仍然不可避免。能譜分析表明，H區(qū)N元素含量高于I區(qū)，說(shuō)明均勻腐蝕區(qū)降解產(chǎn)物中存在較多的胃蛋白酶。對(duì)于浸泡在不含胰酶的SIF中的樣品，在去除降解產(chǎn)物后，表面非常均勻。而浸入SIF后的樣品表面。在K和L區(qū)域檢測(cè)到N元素的含量，表明胰酶的存在，去除腐蝕產(chǎn)物后可見(jiàn)明顯的不均勻腐蝕。

Fig. 4. SEM images of degraded surfaces after immersion of 24 h, (a) SGF without pepsin, (b) SGF, (c) SIF without pancreatin, (d) SIF, and of 96 h (e) SGF without pepsin, (f) SGF, (g) SIF without pancreatin, (h) SIF. (a1-h1) are the macro morphologies of samples corresponding to (a–h) after removing the degradation products. Area A-L were selected for EDS analysis. (i) Elemental composition of the selected areas marked in SEM images. (j) XRD patterns and (k) FTIR spectra of samples after 48 h immersion in four solutions (Light grey region refers to the bands with differences, Dark grey region refers to the bands from magnesium hydroxide).

相應(yīng)的XRD譜圖表明（Fig. 4（j）），在模擬胃環(huán)境的低pH環(huán)境中，Mg(OH)2可以在鎂合金表面形成，而在模擬腸道環(huán)境中的無(wú)機(jī)產(chǎn)物主要為MgHPO4·3H2O。此外，F(xiàn)TIR（Fig. 4（k））和XPS（Fig. 5）結(jié)果表明，浸泡在添加有消化酶溶液中的樣品表面，存在有機(jī)物的特征鍵，這進(jìn)一步證實(shí)有機(jī)物參與了降解產(chǎn)物的形成。

Fig. 5. XPS broad survey of the surface after immersion (a) and high resolution XPS spectra, (b) C1s and (c) N1s of the sample in SGF, (d) C1s and (e) N1s of the sample in SIF.

降解產(chǎn)物層截面元素分布（Fig. 6）表明，對(duì)比浸泡在不含有胃蛋白酶的SGF樣品，P元素的存在證實(shí)了有機(jī)物存在于降解產(chǎn)物中。對(duì)于浸泡于SIF溶液和無(wú)胰酶的SIF溶液中的樣品，由于溶液中存在磷酸氫根離子，其元素分布沒(méi)有明顯差異，但可以觀察到P元素波動(dòng)，這可能與酶的吸附有關(guān)。選定區(qū)域元素的定量分析表明，隨著酶的添加，C、N、P元素的相對(duì)含量顯著增加。

Fig. 6. EDS mapping data and line scanning of degradation products after immersion in solutions for 24 h (the red line refers to the line scanning position).

Fig. 7. Schematic illustration of Mg-Zn wires degradation in different media as the immersion time increases, (a) degradation in SGF without pepsin, (b) degradation in SGF, (c) degradation in SIF without pancreatin, (d) degradation in SIF (the number 1 to 3 means the increase of immersion time).

綜上所述，我們以模擬胃液和腸液為基礎(chǔ)，在研究胃蛋白酶和胰酶對(duì)Mg-Zn合金絲降解行為的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，鎂絲降解的速率隨SGF中胃蛋白酶的添加而下降，而隨SIF中胰酶的添加而上升。胃蛋白酶和胰酶都參與了降解產(chǎn)物層的形成。胃蛋白酶吸附的物理屏障效應(yīng)阻礙了鎂合金在SGF溶液中的點(diǎn)蝕發(fā)生并降低了降解速率，但不能避免局部腐蝕的產(chǎn)生。相反，胰酶的吸附影響了磷酸氫鎂膜層的完整性，導(dǎo)致降解表面不均勻。相應(yīng)的降解過(guò)程示意圖如Fig. 7所示。我們的結(jié)果表明酶對(duì)鎂合金降解的影響應(yīng)根據(jù)其生理環(huán)境進(jìn)行研究，而關(guān)于更多有機(jī)物對(duì)鎂合金降解的影響還有待進(jìn)一步探索。