Monitoring Biodegradation of Magnesium Implants with Sensors

使用傳感器監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。論文開發了一種新型腐蝕表征系統（CCS），用于實時監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皮測量皮下鎂合金生物降解產生的氫氣濃度，提供了一種非侵入性監測體內降解的方法。

 

研究目的

研究目的是開發一種集成多傳感器的腐蝕表征系統（CCS），用于實時監測鎂及其合金在體外和體內的生物降解過程，以更好地理解腐蝕動力學、產物生成和降解速率，為優化植入材料性能提供數據支持。

 

研究思路

研究思路是設計并構建一個腐蝕表征系統（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，用于同時監測鎂腐蝕的多個參數。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；在體內實驗中，利用氫氣微傳感器經皮測量小鼠皮下植入鎂合金產生的氫氣濃度。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據，評估腐蝕行為。

 

測量的數據及研究意義

1 pH值變化數據：來自圖3b。研究意義是實時監測腐蝕過程中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?）濃度數據：來自圖4。研究意義是直接量化降解產生的氫氣，從而計算鎂的腐蝕量，提供體內降解的非侵入性監測方法，便于跟蹤植入物在生物環境中的實時降解速率。

 

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

4 Mg2?濃度數據。研究意義是監測鎂離子釋放，間接反映腐蝕程度和產物積累，補充pH和H?數據，提供更全面的腐蝕表征。

 

結論

1 開發的腐蝕表征系統（CCS）能實時、同步監測鎂腐蝕的多個參數（pH、Mg2?、H?），優于傳統單次測量方法，提供更動態的腐蝕動力學信息。

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，但需進一步優化用于復雜環境。

3 氫氣微傳感器允許非侵入性經皮監測體內降解，簡化了體內實驗流程，無需大型設備如顯微CT，便于臨床前研究。

4 EIS結合傳感器數據揭示了腐蝕產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電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氫氣微電極（如50μm尖端直徑）測量氫氣濃度的數據（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，實現高靈敏度和快速響應（約1分鐘內）。在研究中，它被用于非侵入性經皮測量小鼠皮下鎂植入物降解產生的氫氣濃度。意義在于：首先，避免了手術侵入性操作，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，實時監測能力允許長期跟蹤降解動力學，為臨床轉化提供了一種低成本、便攜的監測工具。相比傳統方法（如重量損失或成像），Unisense電極突出了在體監測的實用性和精準性，有助于加速可降解鎂植入物的開發。