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酶在模拟胃液和肠液中对镁合金体外降解行为的影响

嘉峪检测网        2022-05-17 05:44

可降解镁合金植入器械在胃肠道中的应用正逐渐受到关注。然而,相比于体液环境,胃肠道环境更为复杂,不同的pH、消化酶及离子都给镁合金的应用带来挑战。本文通过模拟胃肠道pH值和基础离子环境,研究了胃蛋白酶和胰酶对镁合金丝材在模拟胃液和小肠液中降解行为的影响,为胃肠道镁合金植入物的研发提供了参考。

 

01、研究内容简介

 

镁及其合金因其良好的力学性能和生物降解性被视为革命性的金属生物植入材料而受到广泛关注,其植入物的腐蚀降解行为长期以来也是研究的热点。近年来,医用镁合金在骨科、心血管领域已取得了长足进展。随着镁合金塑性成形的不断提高,高性能镁丝、管、箔等精密微型材料的制备加工也日趋成熟,他们在胃肠道手术中的应用潜力正逐渐被挖掘,学者已相继开发出如可降解胆道支架、可降解吻合钉、可降解环形吻合器等镁合金植入器械。然而,胃肠环境与体液、血液环境不同。胃肠道由胃、小肠和大肠组成,它们在消化过程中扮演不同的角色,其内部环境——pH值、消化酶和离子浓度等也存在明显的差异(Fig. 1)。目前,尽管已有大量工作基于植入部位的实际生理环境研究了镁合金的体外降解行为,但镁合金在胃液和肠液中的降解行为的研究工作报道还相对较少。

 

酶在模拟胃液和肠液中对镁合金体外降解行为的影响

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

 

无机离子以及离子与pH值共同作用对镁合金降解的明显影响已经被广泛研究。近年来的一些研究发现,有机化合物,如血清蛋白、赖氨酸、谷氨酸等,通过在镁合金表面的螯合/结合或吸附作用也对其降解产生了不可忽视的影响。然而,有机物在不同介质中对降解速率的影响也不同。已有的研究报道表明,吸附的白蛋白一方面可以作为镁合金降解的有效保护层,另一方面也会通过螯合作用影响降解层的形成,使腐蚀速率提高。谷氨酸的加入延缓了镁在磷酸盐缓冲液(PBS)中的降解,却加速了镁在汉克平衡盐溶液(HBSS)中的降解速率。此外,关于有机物对镁合金降解的pH缓冲作用也有报道。目前,虽然已有研究探讨了镁合金在消化道中的应用潜力,但胃蛋白酶和胰酶对镁合金在胃液环境和肠液环境中降解的影响还尚不清楚。本研究采用直径1.0 mm的Mg-Zn合金丝材,使其尽可能地接近胃肠吻合器的材料状态。研究了两种典型消化酶分别在模拟胃液(SGF)和模拟肠液(SIF)中对镁合金丝材降解行为的影响。

 

研究结果表明,在模拟胃环境中,胃蛋白酶的添加会减缓镁合金的降解速率,但在模拟肠液环境中,胰酶的添加加速了镁合金的降解(Fig. 2)。相应的电化学阻抗测试也同样证实了这一现象(Fig. 3)。

 

酶在模拟胃液和肠液中对镁合金体外降解行为的影响

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.

 

酶在模拟胃液和肠液中对镁合金体外降解行为的影响

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).

 

消化酶的存在同时还造成了具有明显差异的降解形貌(Fig. 4)。样品浸泡24 h后,相比浸泡在无胃蛋白酶的SGF中,浸泡在SGF中的试样表面形成了较为致密的降解产物。表面能谱检测到P元素和N元素的存在,说明胃蛋白酶参与了降解产物的形成。在添加有胰酶的SIF中,含有N元素的絮凝沉积物随机分布在表面。随着浸泡时间延长至96 h,在没有胃蛋白酶的SGF中,样品表面可以看到严重的局部腐蚀。而浸泡在SGF中试样,均匀腐蚀面积更大,但局部腐蚀仍然不可避免。能谱分析表明,H区N元素含量高于I区,说明均匀腐蚀区降解产物中存在较多的胃蛋白酶。对于浸泡在不含胰酶的SIF中的样品,在去除降解产物后,表面非常均匀。而浸入SIF后的样品表面。在K和L区域检测到N元素的含量,表明胰酶的存在,去除腐蚀产物后可见明显的不均匀腐蚀。

 

酶在模拟胃液和肠液中对镁合金体外降解行为的影响

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).

 

相应的XRD谱图表明(Fig. 4(j)),在模拟胃环境的低pH环境中,Mg(OH)2可以在镁合金表面形成,而在模拟肠道环境中的无机产物主要为MgHPO4·3H2O。此外,FTIR(Fig. 4(k))和XPS(Fig. 5)结果表明,浸泡在添加有消化酶溶液中的样品表面,存在有机物的特征键,这进一步证实有机物参与了降解产物的形成。

 

酶在模拟胃液和肠液中对镁合金体外降解行为的影响

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.

 

降解产物层截面元素分布(Fig. 6)表明,对比浸泡在不含有胃蛋白酶的SGF样品,P元素的存在证实了有机物存在于降解产物中。对于浸泡于SIF溶液和无胰酶的SIF溶液中的样品,由于溶液中存在磷酸氢根离子,其元素分布没有明显差异,但可以观察到P元素波动,这可能与酶的吸附有关。选定区域元素的定量分析表明,随着酶的添加,C、N、P元素的相对含量显著增加。

 

酶在模拟胃液和肠液中对镁合金体外降解行为的影响

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).

 

酶在模拟胃液和肠液中对镁合金体外降解行为的影响

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).

 

综上所述,我们以模拟胃液和肠液为基础,在研究胃蛋白酶和胰酶对Mg-Zn合金丝降解行为的影响时发现,镁丝降解的速率随SGF中胃蛋白酶的添加而下降,而随SIF中胰酶的添加而上升。胃蛋白酶和胰酶都参与了降解产物层的形成。胃蛋白酶吸附的物理屏障效应阻碍了镁合金在SGF溶液中的点蚀发生并降低了降解速率,但不能避免局部腐蚀的产生。相反,胰酶的吸附影响了磷酸氢镁膜层的完整性,导致降解表面不均匀。相应的降解过程示意图如Fig. 7所示。我们的结果表明酶对镁合金降解的影响应根据其生理环境进行研究,而关于更多有机物对镁合金降解的影响还有待进一步探索。

 

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来源:BioactMater生物活性材料

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