合金中钛元素的测定（Zn含量调控纤维蛋白原在Mg-Zn合金表面的吸附）

可降解镁合金已被证明在心血管支架和骨科领域具有广阔的应用前景，但纯镁的降解速度过快、机械强度不足，严重阻碍其在生命健康领域的应用。合金化是改善镁合金综合性能的常用方法之一，因而合金元素的选择尤为重要。Zn是人体最丰富的生物营养必需元素之一，具有特殊的生理功能，能提高镁合金在模拟体液（SBF）中的腐蚀电位，降低腐蚀速率，如单相Mg-6Zn合金在SBF中的腐蚀速率要低于纯镁；此外，Zn有助于提高纯镁的力学性能。因此，Zn元素的合金化得到广泛的关注，目前已经开发出多种含Zn生物可降解镁合金体系，Mg-Zn二组元合金及Mg-Zn基合金被认为适合在生物医用领域应用。生物可降解镁合金设计时需综合考虑力学性能、耐腐蚀性能外，生物相容性是植入材料的另一个重要性能指标。材料表面形成的蛋白质吸附层将调节细胞的粘附、活化、迁移、增殖以及基因表达等，蛋白质的吸附直接决定了材料的生物相容性。目前，Zn含量对Mg-Zn合金的力学性能和耐腐蚀性能已经进行了系统研究，而对生物相容性的影响却鲜有报道。

最近，郑州大学关绍康教授课题组采用蛋白质吸附实验与分子动力学模拟、第一性原理计算相结合，系统研究了Mg-Zn合金中Zn含量对蛋白质吸附行为的影响。研究结果表明，在低Zn含量的Mg-Zn合金中，Zn元素在合金内部原子层分布结构更为稳定，此时蛋白质在合金表面的吸附强度和吸附量随着Zn含量的升高而增加；在高Zn含量的Mg-Zn合金中，随着Zn含量的升高，表面的负电荷量和水分子层密度增加，导致蛋白质在表面的吸附强度和吸附量逐渐降低。即蛋白质在Mg-Zn合金表面的吸附量和吸附强度随着Zn含量增加呈现先增加后减小的趋势。该工作有望对生物可降解Mg-Zn合金的设计提供科学的指导意义。

本文系统研究了纤维蛋白原在不同Zn含量的Mg-Zn合金表面的吸附规律，图1为蛋白质在Mg-xZn（x=1，2，3，5和10 wt.%）合金表面吸附的荧光图。蛋白质可以稳定吸附在Mg-Zn合金表面，但吸附量却有显著差异，具体表现为：Mg-xZn（x=1，2，3）表面吸附的蛋白质数量随着Zn含量升高逐渐增加，当浸泡60 min后，表面吸附的蛋白质斑点明显增大且更均匀，表明此时对蛋白质的吸附作用更强；与Mg-3Zn相比，Mg-5Zn和Mg-10Zn表面吸附的蛋白质数量逐渐降低。总之，随着Zn含量的增加，蛋白质的吸附量呈先增加后减小的趋势。

图1 不同Zn含量的镁合金在纤维蛋白原溶液中浸泡20 min、40 min和60 min的荧光图，亮斑为表面吸附的蛋白质

本项目还系统研究了Zn原子在镁合金表面的分布规律。XPS分析可以更精确的检测表面的元素分布，Mg-Zn合金的XPS图谱如图2所示。在Mg-1Zn和Mg-3Zn表面均未检测到Zn元素，而Mg-10Zn中检测到较高含量的Zn元素，表明Zn元素是否在合金表面分布与其含量有关。为了进一步确立Zn含量与其分布的关系，采用第一性原理计算了Mg-Zn合金固溶体的结构稳定性，原子结构模型如图2（d）所示。当Zn元素在合金表面分布时的系统能量（-171.19 eV/144原子）大于在合金内层分布的能量（-171.24 eV/144原子），表明对于α-Mg相来说，当Zn元素位于Mg合金内部原子层时体系能量更低、结构更稳定。这是Mg-1Zn、Mg-2Zn和Mg-3Zn合金表面未检测到Zn元素的热力学原因，而Zn元素从合金表面到合金内部的自扩散动力学还有待进一步研究。

图2 Mg-Zn合金的XPS分析和结构模型: (a) 全谱; (b) Mg 2s; (c) Zn 2p谱; (d)第一性原理计算的Mg-Zn合金结构模型

为了从分子水平揭示Zn含量对蛋白质吸附的影响机制，本研究通过分子动力学（MD）模拟了蛋白质在不同Zn含量的镁合金表面的构型演变规律，如图3所示。结果表明，当Zn元素在合金内部分布时，随着Zn含量的增加（模型Ⅰ→模型Ⅱ），表面“锚接”的蛋白质残基数量逐渐增加且分布更加密集。当Zn含量增加至足以在合金表面析出时，随着Zn含量的增加（模型Ⅲ→模型Ⅳ），表面的残基数量逐渐减少且分布更加分散。此外，模型Ⅰ、模型Ⅱ表面“锚接”的蛋白质残基数远大于模型Ⅲ、模型Ⅳ。因此，在较低的Zn含量且Zn元素在合金内部分布时（模型Ⅰ），蛋白质更容易实现在镁合金表面的铺展，且Zn含量越高（模型Ⅱ）残基铺展越充分，蛋白质在表面吸附也更稳定；而在较高的Zn含量且Zn元素在合金表面分布时（模型Ⅲ），表面“锚接”的残基数量开始减少，阻碍了蛋白质在表面的铺展，随着Zn含量的继续升高（模型Ⅳ），这种少量的“锚接”残基很难将FgγC30稳定固定在合金表面，FgγC30在表面的铺展也更加困难，蛋白质吸附机理如图4所示。

图3 MD模拟后蛋白质吸附的主视图、俯视图及RDF：模型Ⅰ（a1，a2，a3），模型Ⅱ（b1，b2，b3），模型Ⅲ（c1，c2，c3）和模型Ⅳ（d1，d2，d3）；仅显示距表面3.5 Å以内的残基，灰色原子是Zn，粉色原子是Mg，a2-d2中的数字为表面“锚接”的残基数

图4 蛋白质在Mg-Zn合金表面的吸附机理图

综上所述，本研究采用实验与模拟相结合的方法，研究了Zn含量对蛋白质吸附的影响规律。发现随着Zn含量的增加，纤维蛋白原在Mg-Zn合金表面的吸附呈现出先增加后减少的规律，Zn元素对纤维蛋白原吸附是促进或抑制与其能否在镁合金表面分布有关。为避免材料表面发生凝血现象，应通过调节Zn含量或热处理工艺将Zn原子分布在合金表面；为了加速骨植入材料的凝血和成骨细胞黏附，需要使Zn原子分布在合金内部。本研究可以为Mg-Zn基生物材料的设计提供一定的指导。