In vivo monitoring the biodegradation of magnesium alloys with an electrochemical H2 sensor

使用電化學(xué)氫氣傳感器體內(nèi)監(jiān)測鎂合金的生物降解過程

來源：Acta Biomaterialia, Volume 36, 2016, Pages 361-368

《生物材料學(xué)報(bào)》，第36卷，2016年，第361-368頁

 

摘要

論文摘要指出，監(jiān)測鎂及其合金在體內(nèi)的生物降解過程具有挑戰(zhàn)性。當(dāng)前方法如顯微CT和X射線成像需要大型昂貴設(shè)備。本研究報(bào)道了一種簡單有效的方法，通過使用電化學(xué)氫氣微傳感器經(jīng)皮檢測小鼠皮下植入鎂樣品降解產(chǎn)生的氫氣，來體內(nèi)監(jiān)測生物降解過程。該傳感器能夠輕松檢測透過皮膚的低濃度氫氣（30-400μM），響應(yīng)時(shí)間約30秒。測量的氫氣水平與通過植入物重量損失確定的生物降解速率相關(guān)。這種新方法具有非侵入性、快速且無需大型設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種簡單、快速、非侵入性的方法，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測可生物降解鎂合金植入物在體內(nèi)的降解過程。當(dāng)前監(jiān)測方法（如顯微CT、X射線）設(shè)備昂貴、復(fù)雜，而重量損失法只能在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行。本研究旨在驗(yàn)證使用高靈敏度的電化學(xué)氫氣傳感器，通過經(jīng)皮測量鎂降解的副產(chǎn)物——?dú)錃?，能否作為一種有效的替代方案，用于動(dòng)物試驗(yàn)?zāi)酥翝撛诘呐R床點(diǎn)-of-care評估。

 

研究思路

研究思路是選擇三種具有不同降解速率的鎂材料（快速降解的ZK40合金、中等降解的Mg8H高純度鎂單晶/多晶、以及緩慢降解的AZ31合金），將其制成圓片植入小鼠皮下。使用丹麥Unisense電化學(xué)氫氣微傳感器，定期（每周一次，持續(xù)兩個(gè)月）輕輕將傳感器尖端抵在植入物上方的皮膚上，測量經(jīng)皮滲透的氫氣濃度。通過多點(diǎn)測量繪制氫氣滲透分布圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出植入物通過重量損失法測定總腐蝕量，并將最終重量損失百分比與體內(nèi)測量的最大氫氣濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，以驗(yàn)證傳感器測量的有效性。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  不同位置經(jīng)皮氫氣濃度分布圖：數(shù)據(jù)來自圖2a, b, c（Mg8H）和圖3a, b, c（AZ31）。研究意義是證明傳感器能精確映射出植入物上方皮膚區(qū)域的氫氣滲透情況，顯示最高濃度位于植入物正上方，并向周邊遞減，驗(yàn)證了測量的局部特異性。

 

 

2.  不同降解速率合金的實(shí)時(shí)氫氣濃度監(jiān)測（隨時(shí)間變化）：數(shù)據(jù)來自圖2d（Mg8H）和圖3d（AZ31）。研究意義是展示該方法能進(jìn)行縱向監(jiān)測，揭示降解速率隨時(shí)間的變化（通常因表面腐蝕層形成而減慢），這是傳統(tǒng)重量損失法無法實(shí)現(xiàn)的。

3.  最大氫氣濃度與重量損失百分比的相關(guān)性：數(shù)據(jù)來自圖4。研究意義是建立了傳感器實(shí)時(shí)測量值與最終整體降解程度之間的定量關(guān)系，證明經(jīng)皮氫氣濃度能可靠反映不同鎂合金的相對降解速率（ZK40 > Mg8H > AZ31），驗(yàn)證了該方法的有效性。

 

4.  傳感器測量的重復(fù)性比較（微操縱器 vs. 手持）。研究意義是表明該方法操作簡便，即使手持傳感器也能獲得可重復(fù)的結(jié)果，增強(qiáng)了其實(shí)用性。

5.  背景氫氣水平的測量：數(shù)據(jù)在圖2c、圖3c中顯示（如尾部、頭部測量點(diǎn)）。研究意義是確認(rèn)了小鼠體內(nèi)源自消化過程的背景氫氣濃度很低（約1-7.3μM），遠(yuǎn)低于植入物降解產(chǎn)生的信號，證明了測量的特異性。

 

結(jié)論

研究得出結(jié)論：利用氫氣在生物組織中（包括皮膚）的快速滲透特性，通過經(jīng)皮方式使用電化學(xué)氫氣傳感器監(jiān)測鎂合金體內(nèi)降解是可行的。傳感器靈敏度足以檢測極低濃度（30-400μM）的氫氣，響應(yīng)快速（約30秒）。測量得到的氫氣濃度與植入物重量損失確定的腐蝕速率具有良好的相關(guān)性。這種非侵入性方法為鎂合金植入物的體內(nèi)評價(jià)提供了一種快速、簡便、低成本且無需大型設(shè)備或輻射暴露的替代方案，特別適用于動(dòng)物試驗(yàn)中的頻繁監(jiān)測和合金篩選。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電化學(xué)氫氣微傳感器測量數(shù)據(jù)的研究意義至關(guān)重要，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

高靈敏度和低檢測限：Unisense傳感器具有極高的靈敏度（檢測限達(dá)0.1μM），使其能夠可靠地檢測到鎂合金降解過程中透過皮膚的低濃度氫氣（本研究中介于30-400μM）。沒有這種高靈敏度，就無法有效捕捉緩慢降解合金（如AZ31）產(chǎn)生的微弱信號。

快速響應(yīng)時(shí)間：傳感器約30秒的快速響應(yīng)特性，使得實(shí)時(shí)、近乎即時(shí)地監(jiān)測降解過程成為可能，這對于動(dòng)態(tài)觀察降解速率變化至關(guān)重要。

卓越的選擇性：傳感器尖端的硅膠膜使其對氫氣具有高度選擇性，幾乎不受生物體內(nèi)其他常見物質(zhì)的干擾（如Ca2+、Mg2+離子，或復(fù)雜的生物流體），確保了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

精確的定點(diǎn)測量能力：傳感器尖端直徑僅50μm，允許進(jìn)行精確的空間分辨測量，從而能夠繪制出植入物上方的氫氣濃度分布圖（如圖2，圖3所示），揭示降解最活躍的區(qū)域。

提供定量基準(zhǔn)：Unisense傳感器經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)氫氣溶液校準(zhǔn)，能提供精確的氫氣濃度數(shù)值（單位μM）。這為該方法提供了定量基礎(chǔ)，使得不同合金、不同時(shí)間點(diǎn)的測量結(jié)果可以進(jìn)行比較，并與重量損失數(shù)據(jù)建立定量關(guān)系（圖4），而不僅僅是定性判斷。

總之，丹麥Unisense電極的高性能是本研究能夠成功開發(fā)并驗(yàn)證這種新型非侵入性監(jiān)測方法的技術(shù)基石。其提供的可靠、定量、高時(shí)空分辨率的氫氣濃度數(shù)據(jù)，是建立該方法可信度和實(shí)用性的關(guān)鍵。