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

使用電化學氫氣傳感器體內監測鎂合金的生物降解過程

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

《生物材料學報》，第36卷，2016年，第361-368頁

 

摘要

論文摘要指出，監測鎂及其合金在體內的生物降解過程具有挑戰性。當前方法如顯微CT和X射線成像需要大型昂貴設備。本研究報道了一種簡單有效的方法，通過使用電化學氫氣微傳感器經皮檢測小鼠皮下植入鎂樣品降解產生的氫氣，來體內監測生物降解過程。該傳感器能夠輕松檢測透過皮膚的低濃度氫氣（30-400μM），響應時間約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。這種新方法具有非侵入性、快速且無需大型設備的優點。

 

研究目的

研究目的是開發一種簡單、快速、非侵入性的方法，用于實時監測可生物降解鎂合金植入物在體內的降解過程。當前監測方法（如顯微CT、X射線）設備昂貴、復雜，而重量損失法只能在實驗結束后進行。本研究旨在驗證使用高靈敏度的電化學氫氣傳感器，通過經皮測量鎂降解的副產物——氫氣，能否作為一種有效的替代方案，用于動物試驗乃至潛在的臨床點-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電化學氫氣微傳感器，定期（每周一次，持續兩個月）輕輕將傳感器尖端抵在植入物上方的皮膚上，測量經皮滲透的氫氣濃度。通過多點測量繪制氫氣滲透分布圖。實驗結束后，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測量的最大氫氣濃度進行相關性分析，以驗證傳感器測量的有效性。

 

測量的數據及研究意義

1.  不同位置經皮氫氣濃度分布圖：數據來自圖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，驗證了測量的局部特異性。

 

 

2.  不同降解速率合金的實時氫氣濃度監測（隨時間變化）：數據來自圖2d（Mg8H）和圖3d（AZ31）。研究意義是展示該方法能進行縱向監測，揭示降解速率隨時間的變化（通常因表面腐蝕層形成而減慢），這是傳統重量損失法無法實現的。

3.  最大氫氣濃度與重量損失百分比的相關性：數據來自圖4。研究意義是建立了傳感器實時測量值與最終整體降解程度之間的定量關系，證明經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），驗證了該方法的有效性。

 

4.  傳感器測量的重復性比較（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的結果，增強了其實用性。

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

 

結論

研究得出結論：利用氫氣在生物組織中（包括皮膚）的快速滲透特性，通過經皮方式使用電化學氫氣傳感器監測鎂合金體內降解是可行的。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性。這種非侵入性方法為鎂合金植入物的體內評價提供了一種快速、簡便、低成本且無需大型設備或輻射暴露的替代方案，特別適用于動物試驗中的頻繁監測和合金篩選。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電化學氫氣微傳感器測量數據的研究意義至關重要，主要體現在以下幾個方面：

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）產生的微弱信號。

快速響應時間：傳感器約30秒的快速響應特性，使得實時、近乎即時地監測降解過程成為可能，這對于動態觀察降解速率變化至關重要。

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，幾乎不受生物體內其他常見物質的干擾（如Ca2+、Mg2+離子，或復雜的生物流體），確保了測量結果的準確性和可靠性。

精確的定點測量能力：傳感器尖端直徑僅50μm，允許進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域。

提供定量基準：Unisense傳感器經過標準氫氣溶液校準，能提供精確的氫氣濃度數值（單位μM）。這為該方法提供了定量基礎，使得不同合金、不同時間點的測量結果可以進行比較，并與重量損失數據建立定量關系（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并驗證這種新型非侵入性監測方法的技術基石。其提供的可靠、定量、高時空分辨率的氫氣濃度數據，是建立該方法可信度和實用性的關鍵。