Monitoring Biodegradation of Magnesium Implants with Sensors

使用傳感器監(jiān)測鎂植入物的生物降解

來源：JOM, Volume 68, pages 1204–1208, (2016)

《JOM》期刊，第68卷，第1204–1208頁，2016年

 

摘要

這篇論文摘要指出，鎂及其合金具有高強度、輕重量和體內(nèi)腐蝕特性，使其成為可生物降解金屬植入材料的有前途候選者。論文開發(fā)了一種新型腐蝕表征系統(tǒng)（CCS），用于實時監(jiān)測鎂合金腐蝕過程中的pH值、Mg2?濃度、溶解氫氣（H?）以及通過電化學阻抗譜（EIS）監(jiān)測表面變化。毛細管微傳感器（pH和Mg2?）被成功制備并用于鎂腐蝕的實時測量。電化學氫氣傳感器被用于經(jīng)皮測量皮下鎂合金生物降解產(chǎn)生的氫氣濃度，提供了一種非侵入性監(jiān)測體內(nèi)降解的方法。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種集成多傳感器的腐蝕表征系統(tǒng)（CCS），用于實時監(jiān)測鎂及其合金在體外和體內(nèi)的生物降解過程，以更好地理解腐蝕動力學、產(chǎn)物生成和降解速率，為優(yōu)化植入材料性能提供數(shù)據(jù)支持。

 

研究思路

研究思路是設(shè)計并構(gòu)建一個腐蝕表征系統(tǒng)（CCS），集成電位傳感器（pH傳感器、Mg2?離子選擇電極、電化學H?傳感器）和EIS技術(shù)，用于同時監(jiān)測鎂腐蝕的多個參數(shù)。在體外實驗中，使用毛細管微傳感器實時測量鎂在鹽水溶液中的pH和Mg2?變化；在體內(nèi)實驗中，利用氫氣微傳感器經(jīng)皮測量小鼠皮下植入鎂合金產(chǎn)生的氫氣濃度。通過校準傳感器、比較不同條件（如溶液組成），并分析時間依賴性數(shù)據(jù)，評估腐蝕行為。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 pH值變化數(shù)據(jù)：來自圖3b。研究意義是實時監(jiān)測腐蝕過程中OH?離子的生成，直接反映鎂腐蝕速率和堿化過程，幫助理解腐蝕初始階段和表面沉淀（如Mg(OH)?）的形成動力學。

 

2 氫氣（H?）濃度數(shù)據(jù)：來自圖4。研究意義是直接量化降解產(chǎn)生的氫氣，從而計算鎂的腐蝕量，提供體內(nèi)降解的非侵入性監(jiān)測方法，便于跟蹤植入物在生物環(huán)境中的實時降解速率。

 

3 電化學阻抗譜（EIS）數(shù)據(jù)：來自圖3c。研究意義是通過Nyquist圖分析表面腐蝕產(chǎn)物層（如Mg(OH)?）的電阻和電容變化，評估腐蝕保護作用和降解機制，如電荷轉(zhuǎn)移電阻和膜電阻隨時間的變化。

4 Mg2?濃度數(shù)據(jù)。研究意義是監(jiān)測鎂離子釋放，間接反映腐蝕程度和產(chǎn)物積累，補充pH和H?數(shù)據(jù)，提供更全面的腐蝕表征。

 

結(jié)論

1 開發(fā)的腐蝕表征系統(tǒng)（CCS）能實時、同步監(jiān)測鎂腐蝕的多個參數(shù)（pH、Mg2?、H?），優(yōu)于傳統(tǒng)單次測量方法，提供更動態(tài)的腐蝕動力學信息。

2 毛細管微傳感器（pH和Mg2?）具有高空間分辨率潛力，可用于表面腐蝕映射，但需進一步優(yōu)化用于復雜環(huán)境。

3 氫氣微傳感器允許非侵入性經(jīng)皮監(jiān)測體內(nèi)降解，簡化了體內(nèi)實驗流程，無需大型設(shè)備如顯微CT，便于臨床前研究。

4 EIS結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)揭示了腐蝕產(chǎn)物層在保護作用中的重要性，如Mg(OH)?沉淀減緩腐蝕速率。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氫氣微電極（如50μm尖端直徑）測量氫氣濃度的數(shù)據(jù)（來自圖4）具有重要研究意義。該電極基于安培法原理，在+1000 mV極化下檢測H?氧化電流，實現(xiàn)高靈敏度和快速響應（約1分鐘內(nèi)）。在研究中，它被用于非侵入性經(jīng)皮測量小鼠皮下鎂植入物降解產(chǎn)生的氫氣濃度。意義在于：首先，避免了手術(shù)侵入性操作，減少動物應激和實驗復雜性；其次，通過映射皮膚表面氫氣分布（如氣泡中心、邊緣和遠處），能局部評估降解熱點和擴散情況，提供空間降解信息；最后，實時監(jiān)測能力允許長期跟蹤降解動力學，為臨床轉(zhuǎn)化提供了一種低成本、便攜的監(jiān)測工具。相比傳統(tǒng)方法（如重量損失或成像），Unisense電極突出了在體監(jiān)測的實用性和精準性，有助于加速可降解鎂植入物的開發(fā)。