可降解鎂合金已被證明在心血管支架和骨科領域具有廣闊的應用前景，但純鎂的降解速度過快、機械強度不足，嚴重阻礙其在生命健康領域的應用。合金化是改善鎂合金綜合性能的常用方法之一，因而合金元素的選擇尤為重要。Zn是人體最豐富的生物營養必需元素之一，具有特殊的生理功能，能提高鎂合金在模拟體液（SBF）中的腐蝕電位，降低腐蝕速率，如單相Mg-6Zn合金在SBF中的腐蝕速率要低于純鎂；此外，Zn有助于提高純鎂的力學性能。因此，Zn元素的合金化得到廣泛的關注，目前已經開發出多種含Zn生物可降解鎂合金體系，Mg-Zn二組元合金及Mg-Zn基合金被認為适合在生物醫用領域應用。生物可降解鎂合金設計時需綜合考慮力學性能、耐腐蝕性能外，生物相容性是植入材料的另一個重要性能指标。材料表面形成的蛋白質吸附層将調節細胞的粘附、活化、遷移、增殖以及基因表達等，蛋白質的吸附直接決定了材料的生物相容性。目前，Zn含量對Mg-Zn合金的力學性能和耐腐蝕性能已經進行了系統研究，而對生物相容性的影響卻鮮有報道。

最近，鄭州大學關紹康教授課題組采用蛋白質吸附實驗與分子動力學模拟、第一性原理計算相結合，系統研究了Mg-Zn合金中Zn含量對蛋白質吸附行為的影響。研究結果表明，在低Zn含量的Mg-Zn合金中，Zn元素在合金内部原子層分布結構更為穩定，此時蛋白質在合金表面的吸附強度和吸附量随着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，表面的負電荷量和水分子層密度增加，導緻蛋白質在表面的吸附強度和吸附量逐漸降低。即蛋白質在Mg-Zn合金表面的吸附量和吸附強度随着Zn含量增加呈現先增加後減小的趨勢。該工作有望對生物可降解Mg-Zn合金的設計提供科學的指導意義。

本文系統研究了纖維蛋白原在不同Zn含量的Mg-Zn合金表面的吸附規律，圖1為蛋白質在Mg-xZn（x=1，2，3，5和10 wt.%）合金表面吸附的熒光圖。蛋白質可以穩定吸附在Mg-Zn合金表面，但吸附量卻有顯著差異，具體表現為：Mg-xZn（x=1，2，3）表面吸附的蛋白質數量随着Zn含量升高逐漸增加，當浸泡60 min後，表面吸附的蛋白質斑點明顯增大且更均勻，表明此時對蛋白質的吸附作用更強；與Mg-3Zn相比，Mg-5Zn和Mg-10Zn表面吸附的蛋白質數量逐漸降低。總之，随着Zn含量的增加，蛋白質的吸附量呈先增加後減小的趨勢。

圖1 不同Zn含量的鎂合金在纖維蛋白原溶液中浸泡20 min、40 min和60 min的熒光圖，亮斑為表面吸附的蛋白質

本項目還系統研究了Zn原子在鎂合金表面的分布規律。XPS分析可以更精确的檢測表面的元素分布，Mg-Zn合金的XPS圖譜如圖2所示。在Mg-1Zn和Mg-3Zn表面均未檢測到Zn元素，而Mg-10Zn中檢測到較高含量的Zn元素，表明Zn元素是否在合金表面分布與其含量有關。為了進一步确立Zn含量與其分布的關系，采用第一性原理計算了Mg-Zn合金固溶體的結構穩定性，原子結構模型如圖2（d）所示。當Zn元素在合金表面分布時的系統能量（-171.19 eV/144原子）大于在合金内層分布的能量（-171.24 eV/144原子），表明對于α-Mg相來說，當Zn元素位于Mg合金内部原子層時體系能量更低、結構更穩定。這是Mg-1Zn、Mg-2Zn和Mg-3Zn合金表面未檢測到Zn元素的熱力學原因，而Zn元素從合金表面到合金内部的自擴散動力學還有待進一步研究。

圖2 Mg-Zn合金的XPS分析和結構模型: (a) 全譜; (b) Mg 2s; (c) Zn 2p譜; (d)第一性原理計算的Mg-Zn合金結構模型

為了從分子水平揭示Zn含量對蛋白質吸附的影響機制，本研究通過分子動力學（MD）模拟了蛋白質在不同Zn含量的鎂合金表面的構型演變規律，如圖3所示。結果表明，當Zn元素在合金内部分布時，随着Zn含量的增加（模型Ⅰ→模型Ⅱ），表面“錨接”的蛋白質殘基數量逐漸增加且分布更加密集。當Zn含量增加至足以在合金表面析出時，随着Zn含量的增加（模型Ⅲ→模型Ⅳ），表面的殘基數量逐漸減少且分布更加分散。此外，模型Ⅰ、模型Ⅱ表面“錨接”的蛋白質殘基數遠大于模型Ⅲ、模型Ⅳ。因此，在較低的Zn含量且Zn元素在合金内部分布時（模型Ⅰ），蛋白質更容易實現在鎂合金表面的鋪展，且Zn含量越高（模型Ⅱ）殘基鋪展越充分，蛋白質在表面吸附也更穩定；而在較高的Zn含量且Zn元素在合金表面分布時（模型Ⅲ），表面“錨接”的殘基數量開始減少，阻礙了蛋白質在表面的鋪展，随着Zn含量的繼續升高（模型Ⅳ），這種少量的“錨接”殘基很難将FgγC30穩定固定在合金表面，FgγC30在表面的鋪展也更加困難，蛋白質吸附機理如圖4所示。

圖3 MD模拟後蛋白質吸附的主視圖、俯視圖及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）；僅顯示距表面3.5 Å以内的殘基，灰色原子是Zn，粉色原子是Mg，a2-d2中的數字為表面“錨接”的殘基數

圖4 蛋白質在Mg-Zn合金表面的吸附機理圖

綜上所述，本研究采用實驗與模拟相結合的方法，研究了Zn含量對蛋白質吸附的影響規律。發現随着Zn含量的增加，纖維蛋白原在Mg-Zn合金表面的吸附呈現出先增加後減少的規律，Zn元素對纖維蛋白原吸附是促進或抑制與其能否在鎂合金表面分布有關。為避免材料表面發生凝血現象，應通過調節Zn含量或熱處理工藝将Zn原子分布在合金表面；為了加速骨植入材料的凝血和成骨細胞黏附，需要使Zn原子分布在合金内部。本研究可以為Mg-Zn基生物材料的設計提供一定的指導。

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