Visual H2 sensor for monitoring biodegradation of magnesium implants in vivo

用于體內(nèi)監(jiān)測鎂植入物生物降解過程的視覺型氫氣傳感器

來源：Acta Biomaterialia, Volume 45, 2016, Pages 399-409

《生物材料學報》，第45卷，2016年，第399-409頁

 

摘要

該論文摘要描述了一種用于監(jiān)測小鼠皮下植入的鎂合金生物降解過程中產(chǎn)生的氫氣的視覺傳感器。該傳感器由涂覆在柔性塑料片上的氫氣敏感材料組成，可直接貼于植入物上方的皮膚上。盡管降解過程中透過皮膚的氫氣水平很低，但傳感器會發(fā)生顏色變化，提供氫氣滲透的三維可視化圖像。通過比較視覺傳感器響應與電化學氫氣微傳感器在幾種鎂合金上的測量結果，證明該視覺傳感器能夠實時監(jiān)測體內(nèi)植入物的溶解速率。與電化學檢測相比，這種檢測方法具有無創(chuàng)、易于實施、有效且成本低的潛力。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種簡單、有效、非侵入性的方法，用于實時監(jiān)測可生物降解鎂合金植入物在體內(nèi)的腐蝕降解過程。鎂合金作為可降解植入物材料，其降解速率是影響其臨床應用安全性和有效性的關鍵參數(shù)。傳統(tǒng)監(jiān)測方法（如重量損失法、電化學測量、顯微CT）存在耗時、需要大型設備或具有侵入性等缺點。本研究旨在驗證一種基于顏色變化的視覺氫氣傳感器能否通過經(jīng)皮檢測鎂腐蝕副產(chǎn)物——氫氣，來可靠地反映植入物的實時生物降解速率。

 

研究思路

研究思路是首先制備一種對氫氣敏感的視覺傳感器薄膜，其原理是氫氣在鈀催化劑作用下將三氧化鉬還原為藍色的氫鉬青銅。將不同降解速率的鎂合金圓片植入小鼠皮下。在植入點上方皮膚粘貼視覺傳感器，定期拍攝記錄傳感器顏色隨時間的變化，并使用ImageJ軟件量化顏色亮度。同時，使用經(jīng)過校準的丹麥Unisense電化學氫氣微傳感器在相同位置測量經(jīng)皮氫氣濃度，以建立視覺傳感器響應與氫氣濃度的定量關系。實驗結束后，取出植入物通過重量損失法測定其總腐蝕量，并與傳感器測量結果進行對比驗證。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  視覺傳感器顏色變化的時間進程和空間分布：數(shù)據(jù)來自圖1, 2, 3a, 4a, 5a, 6a。研究意義是直觀展示傳感器對經(jīng)皮氫氣的響應能力，證明其能檢測到與鎂降解相關的極低濃度氫氣，并能提供氫氣滲透區(qū)域的二維分布圖。

 

 

 

 

 

 

2.  傳感器顏色亮度的定量分析及其與暴露時間的校準曲線：數(shù)據(jù)來自圖3c, 4b, 5b, 6b。研究意義是將視覺信號轉化為半定量數(shù)據(jù)，通過亮度隨時間下降的斜率可以比較不同合金的相對實時降解速率。

3.  不同鎂合金在固定時間點視覺傳感器響應的對比：數(shù)據(jù)來自圖7a, b, c。研究意義是直接比較不同合金的降解行為，結果顯示降解速率順序為LAZ631 > LAZ611 > LZ61 ≈ AZ31，這與重量損失法的結果一致，驗證了傳感器的有效性。

 

4.  使用丹麥Unisense電化學氫氣微傳感器測量的經(jīng)皮氫氣濃度：數(shù)據(jù)來自圖8a。研究意義是提供精確的、定量的氫氣濃度值，作為評估視覺傳感器性能的客觀標準。

 

5.  視覺傳感器亮度與電化學傳感器測得的氫氣濃度的校準曲線：數(shù)據(jù)來自圖8b。研究意義是建立視覺傳感器響應（亮度）與局部氫氣濃度之間的定量關系，使得視覺傳感器能夠進行半定量測量。

6.  植入物浸泡實驗后的重量損失數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)在正文中提及（LAZ631: 6.4%, LAZ611: 4.5%, LZ61: 2.3%, AZ31: 1.9%）。研究意義是提供整個實驗周期內(nèi)植入物的總腐蝕量，作為最終參考標準，驗證傳感器所反映的實時降解趨勢的準確性。

 

結論

研究得出結論：所開發(fā)的視覺氫氣傳感器靈敏度足以監(jiān)測小鼠皮下鎂植入物的生物降解過程。該方法簡單、無創(chuàng)、成本低，能提供降解速率的空間分布信息，并實現(xiàn)實時監(jiān)測。傳感器響應與電化學傳感器測量結果及重量損失數(shù)據(jù)具有良好相關性，能夠可靠地反映不同鎂合金的相對降解速率。雖然它不能測量整個植入期間釋放的氫氣總量，但能提供傳統(tǒng)方法難以獲得的實時降解信息，是現(xiàn)有技術（如顯微CT）的有效補充，特別適用于動物試驗中可降解材料的篩選和開發(fā)。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電化學氫氣微傳感器測量數(shù)據(jù)的研究意義在于它為視覺傳感器的校準和驗證提供了關鍵、精確的定量基準。Unisense傳感器以其高靈敏度和準確性著稱，在本研究中，它被用來直接測量經(jīng)皮滲透的氫氣濃度（圖8a），獲得了LAZ631、LAZ611、LZ61和AZ31合金對應的具體濃度值（分別為287±44μM, 138±30μM, 75±20μM, 36±12μM）。這些精確數(shù)據(jù)使得研究者能夠建立視覺傳感器顏色亮度與氫氣濃度之間的定量校準曲線（圖8b，y = -0.22x + 103.6, R2=0.91）。這一校準過程至關重要，它將主觀的顏色變化轉化為可半定量的亮度指標，從而驗證了視覺傳感器讀數(shù)的可靠性。沒有Unisense傳感器提供的金標準數(shù)據(jù)，視覺傳感器的響應就只能停留在定性或半定性的比較層面，而無法與實際的物理濃度關聯(lián)起來。因此，Unisense電極的測量數(shù)據(jù)是本研究能夠宣稱視覺傳感器可用于“定量”或“半定量”監(jiān)測體內(nèi)降解過程的基石，增強了整個研究方法的科學性和可信度。