Monitoring Biodegradation of Magnesium Implants with Sensors

利用氫氣傳感器監測鎂植入物材料的生物降解

來源：JOM, Vol. 68, No. 4, 2016

 

論文摘要總結

本研究聚焦于鎂及其合金作為生物可降解金屬植入材料的應用，利用傳感器實時監測其腐蝕過程。鎂的腐蝕產物包括鎂離子（Mg2?）、氫氧根離子（OH?）和氫氣（H?）。論文開發了一種腐蝕表征系統（CCS），集成自制毛細管pH和Mg2?微傳感器，用于體外實時監測鎂腐蝕。同時，采用氫氣傳感器通過無創方式監測體內鎂合金的降解，利用氫氣的高皮膚滲透性，在皮膚表面檢測皮下植入物產生的H?。該系統為鎂基植入物的生物降解評估提供了創新工具。

研究目的

本研究旨在解決鎂合金植入物降解過程監測的挑戰，傳統方法（如重量損失、氫收集、pH測量等）無法實時、多參數跟蹤。具體目標包括：

 

開發多傳感器平臺：構建CCS系統，同步測量pH、Mg2?濃度、溶解H?及電化學阻抗譜（EIS），實現體外腐蝕的實時分析。

實現體內無創監測：利用氫氣傳感器，通過透皮檢測H?，跟蹤皮下鎂植入物的降解速率，避免二次手術或大型影像設備依賴。

 

優化傳感器微型化：研制毛細管微電極，提升空間分辨率，適用于生物醫學環境中的局部測量。

 

研究思路

研究思路分為四個階段：

 

系統構建與優化：設計CCS系統（圖1），集成pH電極、Mg2?離子選擇電極、H?電化學傳感器、溫度探頭和參比電極，在恒溫（37°C）攪拌條件下進行腐蝕實驗。系統通過Ag/AgCl參比電極確保電位穩定性。

 

微傳感器開發：基于玻璃毛細管制備pH和Mg2?微電極（圖2），尖端直徑約50μm，內部填充MgCl?溶液和離子選擇性膜，提升生物相容性和空間分辨率。微電極通過校準驗證線性響應。

 

體外腐蝕監測：在0.9% NaCl溶液中測試99.9%鎂的腐蝕，實時記錄pH變化、Mg2?釋放及EIS譜圖，分析腐蝕動力學和表面膜形成。

 

體內驗證：使用Unisense H?微傳感器在小鼠模型中監測皮下植入鎂單晶產生的H?，通過透皮測量繪制H?濃度分布圖，評估無創監測可行性。

 

測量數據及研究意義

以下關鍵數據均來自論文中的圖表，其研究意義如下：

 

pH微電極校準與腐蝕響應（圖3a-b）

 

數據來源：圖3a顯示pH微電極在pH 5-10緩沖液中的校準曲線（電位vs. pH）；圖3b展示鎂在0.9% NaCl中腐蝕時pH隨時間的變化。

 

研究意義：校準曲線線性良好（R2=0.99），證明微電極的準確性（圖3a）。腐蝕實驗中pH在浸入后700秒內迅速從基線升至約9（圖3b），表明OH?快速生成，隨后Mg(OH)?沉淀減緩腐蝕。意義：實時反映腐蝕起始和鈍化過程，為降解速率提供動態指標。

 

電化學阻抗譜（EIS）數據（圖3c）

 

數據來源：圖3c顯示鎂在0.9% NaCl中腐蝕0-20小時的Nyquist圖。

 

研究意義：高頻區電容環直徑隨浸泡時間增加，表明電荷轉移電阻（Rct）和表面膜電阻（Rf）增大，反映Mg(OH)?保護層的形成。意義：EIS與傳感器數據互補，揭示腐蝕產物對金屬的保護作用，增強腐蝕機制的理解。

 

氫氣微傳感器空間映射（圖4）

 

數據來源：圖4展示H?微傳感器在小鼠皮下植入鎂合金部位測量的H?濃度（原始輸出電壓mV），包括氣體腔正上方、鄰近區域和遠離區域的對比。

 

研究意義：傳感器響應快速（<1分鐘），氣體腔上方H?濃度最高，鄰近區域顯著降低，遠處幾乎無信號（圖4）。意義：證實H?可透皮擴散，且濃度梯度反映腐蝕局部性，為體內降解提供空間分辨率。

 

微電極結構驗證（圖2）

 

數據來源：圖2a為pH和Mg2?微電極示意圖，圖2b顯示實際微電極照片。

 

研究意義：微電極尖端微小（~50μm），支持局部測量，避免整體溶液干擾。意義：為未來活體細胞水平監測或表面掃描顯微鏡應用奠定基礎，提升腐蝕研究的空間精度。

 

結論

本研究成功開發并驗證了多傳感器監測平臺，主要結論如下：

 

CCS系統有效性：實時同步監測pH、Mg2?、H?和EIS，全面捕捉鎂腐蝕動力學，體外實驗顯示pH驟升和膜形成過程。

微傳感器優勢：毛細管微電極具高空間分辨率，適用于生物環境，pH和Mg2?測量線性可靠。

無創體內監測：Unisense H?傳感器實現透皮檢測，響應快且能映射H?分布，證明其作為體內降解跟蹤工具的可行性。

 

應用前景：該方法簡化了監測流程，替代昂貴影像設備（如X射線、Micro-CT），為鎂基植入物的臨床評估提供低成本、高時效方案。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在研究中，丹麥Unisense H?微傳感器（50μm尖端直徑）被用于測量鎂腐蝕產生的氫氣，其研究意義如下：

 

無創體內監測的創新性：Unisense傳感器通過極化于+1000 mV，檢測皮下氣體腔中的H?濃度（圖4）。數據顯示，傳感器可直接按壓于皮膚表面獲得信號，無需侵入性操作，與腔內測量結果高度一致。這證實了H?的高皮膚滲透性，突破了傳統體內監測需手術或成像設備的限制。意義：首次實現鎂植入物降解的透皮實時跟蹤，為臨床長期監測提供新范式。

高時空分辨率與快速響應：傳感器響應時間<1分鐘，能快速捕捉H?動態變化。空間映射顯示，氣體腔上方信號最強，鄰近區域濃度下降50%以上，遠處幾乎無響應（圖4）。意義：不僅驗證腐蝕局部性，還提示降解速率的空間異質性，有助于評估植入物與組織交互影響，為優化植入設計提供數據支持。

定量關聯降解速率：每摩爾鎂腐蝕產生1摩爾H?（方程1），因此H?濃度直接正比于降解量。Unisense測量顯示，信號強度與腐蝕程度相關，且長期測試中信號變化可反映降解速率波動（如鈍化膜形成后的減緩）。意義：將H?濃度轉化為定量降解指標，彌補了傳統方法（如重量損失）無法實時跟蹤的缺陷。

 

技術優勢與臨床潛力：Unisense傳感器具高靈敏度（pA級電流檢測），適用于微量H?測量。結合透皮特性，該方法簡化了監測流程，降低成本和患者風險。意義：為鎂合金植入物的個性化醫療提供工具，如跟蹤愈合過程中的降解匹配，避免過早或過晚降解導致的并發癥。

 

總之，Unisense電極的應用不僅是檢測工具的創新，更推動了生物可降解材料監測向無創、實時、定量化發展，凸顯其在轉化醫學中的關鍵價值。