牛血清白蛋白对Hanks平衡盐溶液中低钙镁合金降解的双重作用机制及其在可降解植入物中的应用

针对蛋白质环境对镁合金降解行为影响机制不明的关键问题，研究人员通过电化学测试（PDP/EIS）和表面分析（SEM/EDS/XPS/ATR-FTIR），揭示牛血清白蛋白（BSA）在HBSS中对Mg-0.45wt%Ca合金的"先抑制后加速"腐蚀双重作用，为可降解生物植入物的可靠性设计提供新见解。

　　

镁合金作为可降解生物植入材料近年来备受关注，其最大的优势在于无需二次手术取出——在完成骨骼支撑使命后，它们会逐渐被人体环境降解，多余的镁离子（Mg⁺⁺）还能通过肾脏安全排出。然而这个看似完美的解决方案却面临一个致命挑战：人体富含氯离子的生理环境会加速镁合金腐蚀，更棘手的是，强化合金所需的锌、铝等元素形成的第二相颗粒会引发微电偶腐蚀，导致材料过早失效。

在这样的背景下，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的Solomon Ansah与R.K. Singh Raman团队将目光投向了一种特殊的"瘦身版"镁合金——仅含0.45wt%钙（Ca）的Mg-Ca合金X0。这种合金通过挤压工艺获得高强度（>210 MPa），同时避免了第二相颗粒带来的局部腐蚀风险。但人体环境中大量存在的血清蛋白，尤其是占血清蛋白60%的白蛋白，会如何影响这类合金的降解？这个问题直接关系到植入物的服役寿命。

研究人员在《Journal of Materials Science》发表的研究中，创新性地采用多尺度表征技术：通过电化学测试（动电位极化曲线PDP和电化学阻抗谱EIS）量化腐蚀速率，结合扫描电镜（SEM）观察形貌，能谱（EDS）分析元素分布，X射线光电子能谱（XPS）和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）解析表面化学状态，系统揭示了牛血清白蛋白（BSA）在Hanks平衡盐溶液（HBSS）中对X0合金降解的双重作用机制。

电化学测量揭示动力学转折

动电位极化曲线显示，添加BSA使腐蚀电位（E_corr）负移0.396V，腐蚀电流密度（i_corr）初期降低但后期升高。电化学阻抗谱证实，24小时内BSA吸附形成保护层使电荷转移电阻（R_ct）增加，但48小时后由于镁-白蛋白螯合物的形成，R_{ct>值显著下降。}

表面分析阐明作用机制

SEM显示BSA环境中的样品24小时后出现独特的分层腐蚀形貌。XPS检测到Mg₂Ca相优先溶解产生的Ca²⁺与BSA羧基结合。ATR-FTIR直接观测到随着浸泡时间延长，BSA的酰胺I带（1640 cm^-1）和羧基振动带（1400 cm^-1）强度变化，证实了蛋白质构象从α-螺旋向β-折叠转变的螯合过程。

结论与展望

该研究首次阐明：在短期暴露（<24小时）时，BSA通过物理吸附抑制腐蚀；而长期暴露（>24小时）后，BSA的羧基与Mg²⁺/Ca²⁺螯合，破坏表面保护膜加速腐蚀。这一发现为可降解植入物的表面改性提供了新思路——通过调控蛋白质吸附构象或阻断特定螯合位点，有望延长植入物功能寿命。研究采用的"瘦身合金+多尺度表征"策略，也为其他生物材料的环境适应性研究建立了方法论范式。