氫氣微電極有望成為監(jiān)測體內(nèi)皮下鎂合金生物降解的有效手段。與傳統(tǒng)的生物降解率監(jiān)測方法(如取出樣品的重量損失、X射線測量和顯微CT)相比，氫氣傳感器具有優(yōu)勢。與失重法相比，它可以測量實時的生物降解率，而不是整個植入過程中的綜合生物降解率。與X射線和顯微CT相比，該儀器的成本要低得多，而且不會受到輻射。

摘要

在體內(nèi)監(jiān)測鎂及其合金的生物降解過程具有挑戰(zhàn)性。目前，這一過程是通過體內(nèi)顯微CT和X射線成像來監(jiān)測的，這需要大型且昂貴的儀器。在這里，我們報告了一種簡單有效的方法：通過在小鼠皮下植入的鎂樣品上方H2透皮傳感來監(jiān)測體內(nèi)生物降解過程。電化學(xué)氫氣微電極用于測量兩種鎂合金(ZK40和AZ31)和一種高純度鎂單晶(Mg8H)在皮膚表面的生物降解產(chǎn)物H2。該微電極能夠輕松檢測到皮膚中滲透的低濃度H2(30-400μM)，響應(yīng)時間約為30秒。H2濃度與通過測量植入物的重量損失確定的生物降解率相關(guān)。這種新方法無創(chuàng)、快速，而且不需要大型設(shè)備。

1引言

與目前使用的永久性不銹鋼和鈦植入物相比，用于骨修復(fù)的可生物降解植入物(如鋼板和螺釘)具有許多優(yōu)點。重要的是，基于生物可降解材料的植入物最終會在不再需要時溶解，從而避免了日后出現(xiàn)并發(fā)癥時手術(shù)移除裝置的需要。基于以下幾個原因，鎂基合金是一種特別好的候選材料。鎂是一種重量輕的金屬(1.74-2.0克/立方厘米)，與骨密度(1.8-2.1克/立方厘米)非常接近。鎂基合金的密度通常分別是不銹鋼和鈦基合金的4.5倍和3.3倍。鎂合金的彈性模量為45GPa，非常接近人體骨骼的彈性模量(45-57GPa)。這些特性可減少應(yīng)力屏蔽和相關(guān)的骨密度損失。此外，鎂還具有生物相容性，人體可耐受較大量的鎂而不會產(chǎn)生不良影響。此外，由于鎂在骨組織中的功能作用和存在，鎂對新骨組織的生長具有刺激作用。可通過使用合金或涂層來控制生物降解速度，以滿足應(yīng)用需求。

鎂及其合金在水環(huán)境中會發(fā)生降解，生成鎂離子(Mg2+)和氫氧根離子(OH-)以及氫氣(H2)。當(dāng)pH值變得足夠堿性時，OH-與Mg2+發(fā)生反應(yīng)，在表面沉淀為氫氧化鎂(Mg(OH)2)。每降解一摩爾金屬鎂，就會釋放出一分子H2。因此，測量揮發(fā)的氫氣可以直接反映鎂的腐蝕情況。由于1mL的H2蒸發(fā)量大約相當(dāng)于1mg的鎂溶解量，因此測量H2蒸發(fā)率就相當(dāng)于測量鎂合金的生物降解率或腐蝕率。迄今為止，H2演化的測量大多是在體外通過測量產(chǎn)生的H2體積進行的。這種方法比較麻煩，而且H2氣體收集儀器經(jīng)常發(fā)生泄漏。體內(nèi)生物降解過程的監(jiān)測可采用顯微CT和X射線吸收法，前者需要大量的設(shè)備投資，后者同樣價格昂貴，而且需要暴露在輻射下，還需要進一步進行耗時的復(fù)雜分析，包括了解所形成的不同腐蝕產(chǎn)物在X射線吸收系數(shù)上的差異，以便進行量化。因此，需要一種簡單有效的體內(nèi)H2檢測方法，用于合金和設(shè)備的動物試驗。

通過傳感腐蝕產(chǎn)物H2來監(jiān)測體內(nèi)生物降解比傳感其他腐蝕產(chǎn)物OH-和Mg2+有許多優(yōu)勢。首先，由于H2在皮膚中的高滲透性，只有H2可以進行非侵入式監(jiān)測。與pH或Mg2+的情況相比，通過外科手術(shù)插入傳感器具有很大的優(yōu)勢。無創(chuàng)測量還意味著傳感器不會受到生物液體成分或生物污垢的干擾。其次，哺乳動物體內(nèi)不存在需要校正的大量H2背景水平。例如，小鼠血液中的氫氣濃度只有約1μM。Mg2+在體內(nèi)的濃度相對較高(成人血清中的Mg2+濃度為0.75-0.95mM)，本底水平是一個問題。Mg2+傳感器需要有足夠的精確度，才能檢測到由于生物降解而導(dǎo)致的小幅升高。此外，常用的Mg2+電化學(xué)傳感器(離子選擇性電極)會受到Ca2+的嚴(yán)重干擾，而Ca2+在體內(nèi)的濃度較高(成人血清中約為2.0-2.6mM)。第三，氫氣在生物介質(zhì)中相對無反應(yīng)，因此是一種可靠的生物降解標(biāo)記物。相比之下，釋放的OH-會被緩沖液消耗掉，這嚴(yán)重影響了用于監(jiān)測生物降解的pH值測量。此外，Mg2+還會與各種陰離子(如OH-和碳酸鹽)反應(yīng)形成沉淀物，并與天然存在的有機配體(如乳酸鹽和檸檬酸鹽)和蛋白質(zhì)反應(yīng)形成復(fù)合物，可能會使其在離子選擇電極等傳感器上變得模糊不清。第四，市場上已經(jīng)有一種具有極佳檢測限和選擇性的電化學(xué)氫氣電極。

文獻廣泛報道了與植入鎂合金相關(guān)的氣穴的形成。然而，這些氣穴中的H2濃度并不明確，因為在60多年前首次將鎂作為植入物進行測試時，只有少數(shù)研究使用了非H2專有技術(shù)。此后再無相關(guān)報道，大多數(shù)研究人員認(rèn)為這些空腔主要含有H2。我們通過將快速降解的鎂合金(Mg-4wt%Y-0.5wt%Gd-2wt%Nd-0.5wt%Dy)盤植入小鼠皮下，并使用通過皮膚切口插入空腔的電化學(xué)H2微電極測定H2氣體的濃度，從而驗證了這一假設(shè)。結(jié)果通過氣相色譜質(zhì)譜法(GC-MS)得到證實。有兩個重大發(fā)現(xiàn)：(1)首先，氣穴中的H2濃度實際上非常低，甚至在氣穴形成后不久也是如此。

術(shù)后1天、2天和5天用傳感器測量的氣穴中H2濃度從95±34μM(0.22±0.08vol.%)到428±35μM(0.97±0.08vol.%)不等。用注射器從氣腔中采集的樣本經(jīng)氣相色譜質(zhì)譜分析證實了這些低水平的H2。因此，氣穴中的H2含量始終低于1%。其余氣體為二氧化碳和氧氣(均由氣相色譜質(zhì)譜儀測量)，可能還有氮氣，但由于氮氣是氣相色譜中的載氣，因此無法量化。

這些結(jié)果表明，氫氣通過植入物周圍的生物組織直接傳輸?shù)乃俣确浅？臁＿€應(yīng)注意的是，H2在水中的溶解度很低，在海平面20℃時，飽和濃度僅為805μM。氣腔中H2含量低的原因可以解釋為這種快速傳輸加上氫氣在水性生物液體和細(xì)胞中的低溶解度。(2)其次，只需將微電極尖端按壓在覆蓋植入物的皮膚上即可進行無創(chuàng)測量，與將微電極尖端插入氣腔內(nèi)進行有創(chuàng)測量的結(jié)果相似。這一觀察結(jié)果證實了H2在皮膚等生物組織中的傳輸速度非常快。從實用角度來看，最重要的是，這意味著只需將經(jīng)皮測量的H2傳感器按壓在皮膚上，就可以無創(chuàng)跟蹤體內(nèi)的H2水平。認(rèn)識到皮膚對H2的滲透性以及電化學(xué)H2傳感器的高靈敏度，確實為開發(fā)無創(chuàng)H2傳感技術(shù)開辟了道路，使其成為跟蹤鎂植入物體內(nèi)生物降解率的有效方法。

在此，我們報告了利用電化學(xué)氫氣電極對植入小鼠皮下的三種生物降解合金中的H2進行透皮測量的結(jié)果。此外，我們還將H2水平與通過探查合金重量損失獲得的生物降解率進行了關(guān)聯(lián)。據(jù)我們所知，這是首次將通過H2傳感器經(jīng)皮測量氫氣作為鎂合金皮下評估的常規(guī)部分。只需將微電極頂端按壓在覆蓋植入物的皮膚上，即可快速進行無創(chuàng)測量。不需要微型計算機斷層掃描和X射線等大型設(shè)備，也不會受到X射線輻射。這種簡單的方法為開發(fā)無創(chuàng)H2傳感技術(shù)開辟了道路，是在體內(nèi)無創(chuàng)跟蹤鎂及其合金生物降解率的有效方法。