葡萄糖对镁体外腐蚀/降解行为的影响 曾荣昌 山东科技大学 【按】Nature 出版集团旗下的《 Scientific Reports 》（科学报告）刊发了我课题组在医用镁腐蚀机理方面的科学发现。论文题目为 “ Invitro degradation of pure Mg in response to glucose ” （ 5:13026, DOI: 10.1038/srep13026 ）。 随着人口老龄化日趋严重，人们越来越关注血糖水平、糖尿病的患病率以及血糖调节障碍等问题。在全球范围内，预估糖尿病患者的数量将从 2000 年的 1.71 亿增至 2030 的 3.66 亿。全球老龄化对生物材料的需求日益增加，这使得高血糖和糖尿病患者在植入生物材料问题上面临着巨大的挑战。 镁及镁合金具有独特的生物相容性、生物降解性和力学相容性，作为新一代生物医用材料具有广泛的应用前景。然而，镁非常活泼，耐蚀性能较差。镁的腐蚀问题则是制约其广泛应用的瓶颈因素。虽然有关镁合金在模拟生理溶液中的腐蚀行为已有大量的研究，并取得了明显的进展。因人体内环境因素的复杂性，医用镁及合金腐蚀机理仍然没有得到很好的阐释。 影响医用镁及合金腐蚀的因素包括 阳离子（ Mg 2+ 、 Ca 2+ 等）、 阴离子（ Cl - 、 HCO 3 - 、 HPO 4 2 和 - H 2 PO 4 - 等） 以及有机化合物（氨基酸，蛋白质和葡萄糖等）。然而，有关葡萄糖对镁合金腐蚀影响的研究很少报道。众所周知，高血糖可能导致糖尿病的发生，高血糖或糖尿病人植入镁合金后可能面临较大风险。另外，镁还是一种重要的细胞间离子，在血糖和胰岛素的调解中扮演重要角色。所以，研究葡萄糖对镁合金腐蚀行为影响具有重要意义。 论文基于材料与化学交互作用，以己六醇作为对照物，通过电子探针、光电子能谱等现代表面分析和电化学测试技术，全面地分析了葡萄糖对纯镁腐蚀行为的影响，加深了人们对镁腐蚀过程的认识。此项研究阐明了镁在不同浓度葡萄糖模拟体液中的腐蚀机理，为医用镁合金研究开启了一扇新窗户。 上述研究工作得到了国家自然科学基金项目和山东科技大学科研创新团队经费的支持。 Abstract : Magnesium and its alloys are promising biodegradable biomaterials but are still challenging to be used in person with high levels of blood glucose or diabetes. To date, the influence of glucose on magnesium degradation has not yet been elucidated, this issue requires more attention. Herein, we present pure Mg exhibiting different corrosion responses to saline and Hank’s solutions with different glucose contents, and the degradation mechanism of pure Mg in the saline solution with glucose in comparison with mannitol as a control. On one hand, the corrosion rate of pure Mg increases with the glucose concentration in saline solutions. Glucose rapidly transforms into gluconic acid, which attacks the oxides of the metal and decreases the pH of the solution; it also promotes the absorption of chloride ions on the Mg surface and consequently accelerates corrosion. On the other hand, better corrosion resistance is obtained with increasing glucose content in Hank’s solution due to the fact that glucose coordinates Ca2+ ions in Hank’s solution and thus improves the formation of Ca-P compounds on the pure Mg surface. This finding will open up new avenues for research on the biodegradation of bio-Mg materials in general, which could yield many new and interesting results. In vitro degradation of pure Mg in response to glucose.pdf
前阵子，小硕准备毕业前再疯狂一把，打算尝试一下第三代葡萄糖传感器（基于葡萄糖氧化酶 (glucose oxidase ， GOx) 的直接电子传输 (direct electron transfer, DET) ）。因为前三年在纳米多孔金 (Nanoporous gold, NPG) 上做了一些葡萄糖传感器的工作，都是基于第二代模型，如果可以在 NPG 上实现 GOx 的 DET ，将是对我前面工作的一大补充。 先简单介绍一下第一、二、三代葡萄糖传感器机理（如下图所示，图片来源 J. Wang, Chem. Rev. 108 (2008) 814 ），这个分类是基于使用的电子媒介体 (mediator, M) 种类的不同，从而相应的酶的活性中心 (GOx 为 flavin adenine dinucletide ， FAD) 与电极直接的电子传输 (electron transfer, ET) 路径不同。第一代电子媒介体为测试溶液中的溶氧，第二代为可以自我氧化还原的有机小分子，上述两种都有各自对应的问题。第三代酶电极传感器则不使用电子媒介体，而是建立起酶的活性中心和电极表面 DET 的桥梁，但 GOx 的活性中心深埋在厚厚的蛋白质中，跟电极的距离较大，要实现其 DET 是比较困难的。第三代葡萄糖传感器是非常理想的，可以做到 reagent-less 。 不过经过几天认真的文献调研、探索实验和跟导师探讨，我们感到一些蹊跷。虽然前面在碳纳米管、石墨烯等等纳米材料上对于 GOx 的 DET 文献报道了非常多了，但似乎这些报道里面鲜有是真正的第三代葡萄糖传感器。 前面交代了，真正的第三代葡萄糖传感器工作时是不需要电子媒介体参与的，可我发现绝大多数的文献报道中，是可以看到在 -0.4 至 -0.5V 之间的 GOx 的活性中心 FAD 的氧化还原峰不假，但检测葡萄糖时还需要在检测溶液中通入氧气（如图所示，有氧气存在时（点状线）循环伏安曲线可逆性变差（有些类似第一代葡萄糖传感器的机理 2FAD+O 2 → 2FAD++O 2 2 - ），在加入葡萄糖后由于竞争关系还原峰下降了（见虚线， GOx(FAD)+glucose → GOX(FADH2)+gluconolactone ），上述两个图片来自 Anthony Guiseppi-Elie et al 2002 Nanotechnology 13 559 ）。疑惑就在这里了，检测葡萄糖时还需要氧气参与的到底还是不是真正意义上的第三代葡萄糖传感器么？ 最近在 Analytical Chemistry 上报道的相关研究让我有拨云见日之感（ Anal. Chem., 2014, 86 (1), pp 752–757 ），文章中写道“ The voltammetric studies showed that, regardless of CHIT matrix, the GOx adsorbed on CNT yielding a pair of surface-confined current peaks at −0.48 V. The anodic peak did not increase in the presence of glucose in an O2-free solution indicating the lack of direct electron transfer (DET) between the enzymatically active GOx and CNT. The voltammetric peaks were due to the redox of enzyme cofactor flavin adenine dinucleotide (FAD), which was not the part of active enzyme. The presented data suggest that DET may not be happening for any type of GOx/CNT-based sensor . ”也就是说虽然在 −0.48 V 看到了氧化还原峰，的确是 FAD 的氧化还原峰不假，但这个时候 GOX 已经变成 apo-GOx 了， FAD 漏出来了所以可以看到氧化还原峰（如下图所示）， apo-GOx 已经丧失了对葡萄糖的感应能力。而看到的在氧气存在下对葡萄糖的信号是来源于离 CNT 较远的完整的 GOx （机理其实是第一代的使用 O2 作为 mediator ）。作者干脆指出“ The presented data suggest that DET may not be happening for any type of GOx/CNT-based sensor . ”。此外，作者还对纳米材料的生物毒性表示了担忧，“ The proposed analytical protocols can be also applied to study the effects of nanoparticles on proteins in assessing the health risks associated with the use of nanomaterials. ”。 其实早在 1994 年，还在长春应化所工作的池其金老师和董绍俊院士等就已经发现了虽然在氧化处理的碳电极上观察到在负电位区间 GOx 的一个氧化还原峰，但 GOx 已经失活了。“ Although the direct electrical communication between the adsorbed enzymes and the electrode has been achieved as described above, the adsorbed enzymes cannot catalyze their substrates to oxidize. This shows that the adsorbed enzymes have lost their bioactivity. ”（ Electrochimica Acta, Volume 39, Issue 16, November 1994, Pages 2431–2438 ）。 当然，真正的让人服气的第三代葡萄糖传感器的相关报道还是有的，比如 J. J. Gooding 等人设计的通过分子线来链接 GOx 的电极体系（如下图，来自 Electrochemistry Communications, Volume 9, Issue 9, September 2007, Pages 2218–2223 ）。 对葡萄糖的检测也是在无氧环境下实现的（如下图）。不过这种设计用到的分子线应该挺贵的（自己合成的，还没商业化），传感器的灵敏度与第二代的相比还是比较低的。最后总结一下，也就是说，真正的第三代葡萄糖传感器还是可以实现的，我辈还有机会，我辈还需继续努力。
为了抵抗一些天然的危害，比如食草性害虫或疾病，植物会利用毒素来保护自己。例如油菜就通过产生硫代葡萄糖苷来达到这一目的。由于硫代葡萄糖苷的存在，油菜籽在作为饲料原料的应用受到很大的限制。为了来解决油菜籽中硫代葡萄糖苷的问题，丹麦哥本哈根大学的科学家研究出了一种新的方法，可以阻碍这种毒素进入到植物的可食用部分。作为一项突破性的研究成果，他们的研究被发表在了Nature杂志。 这项研究的负责人Barbara Ann Halkier教授说：“我们开发出了一种全新的技术，我们把它叫做‘运输工程’。这种技术可以将一些不需要的物质从植物的可食用部分清除出去。” 油菜籽通常的用途是生产食用油，加工后剩下的菜籽饼除含有40％左右的蛋白质外，还含有一定的粗脂肪、纤维素、矿物质(主要有钙、铁、锰、磷、硒和镁等)和多种维生素(包括生物素、叶酸、烟酸、维生素b1和维生素b2等)，营养价值与大豆饼粕相近，是良好的精饲料。但油菜饼中含硫代葡萄糖苷较高(—般为4％～6％)，硫代葡萄糖苷本身并无毒，但水解后产生有毒物质，能使动物甲状腺肿大和出现多种中毒症状，因而影响了它在饲料工业中的应用。 得益于哥本哈根大学的这一项新的技术，油菜籽作为商业用动物饲料原料的潜力将得到大大提升。 Barbara Ann Halkier的研究团队先是在拟南芥中进行实验，他们在这种与油菜非常接近的植物中存在两种蛋白质，它们可以将硫代葡萄糖苷运输到拟南芥的种子中。研究人员随后对拟南芥中的这两种蛋白质进行了敲除，结果令人惊讶的是，拟南芥种子中的硫代葡萄糖苷完全消失了。 油菜是世界上第三大广泛种植的产油植物，这一新的技术的商业潜力不言自明。目前，世界最大的植物生物技术公司Bayer CropScience（拜耳作物科学）正在与哥本哈根大学的技术转化中心进行合作谈判，希望能够利用这种技术来种植油菜，生产无硫代葡萄糖苷油菜籽。 据称，该研究成果来自于16年的基础研究。这一杰出的事例说明，基础研究也能产生可供社会直接利用的新发现。 原文下载： nature11285.pdf
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