在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷中，精確監(jiān)測(cè)微觀尺度下的生理化學(xué)環(huán)境變化至關(guān)重要。其中，pH值作為反映組織代謝狀態(tài)、炎癥反應(yīng)及病原體活動(dòng)的關(guān)鍵指標(biāo)，其空間與時(shí)間分辨率的提升一直是科研人員追求的目標(biāo)。近年來(lái)，隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，PH微電極（pH microelectrode）應(yīng)運(yùn)而生，并在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。特別是由丹麥Unisense公司推出的高性能pH微電極，因其尖端直徑可小至10微米，成為測(cè)量醫(yī)學(xué)材料表面薄液膜pH變化的理想工具。

什么是pH微電極？

pH微電極是一種微型化的電化學(xué)傳感器，用于在微米尺度上實(shí)時(shí)、非破壞性地測(cè)量局部環(huán)境中的氫離子濃度（即pH值）。它通?；诓Ａ㈦姌O或固態(tài)微電極結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充有對(duì)H?敏感的電解質(zhì)或采用半導(dǎo)體材料（如IrOx、Ta?O?等）作為感應(yīng)層。當(dāng)電極尖端接觸待測(cè)液體時(shí)，產(chǎn)生的電位差與溶液pH呈線性關(guān)系，通過(guò)校準(zhǔn)即可獲得精確讀數(shù)。

相較于傳統(tǒng)pH計(jì)使用的宏觀電極，pH微電極的最大優(yōu)勢(shì)在于其極小的探針尺寸——例如Unisense公司的產(chǎn)品尖端直徑僅為10微米左右，這使得它能夠在不顯著擾動(dòng)樣品的情況下，深入狹窄空間或貼近材料表面進(jìn)行高分辨率測(cè)量。此外，這類(lèi)電極響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，適用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)復(fù)雜生物界面的化學(xué)微環(huán)境。

醫(yī)學(xué)材料表面薄液膜的pH監(jiān)測(cè)意義

在植入式醫(yī)療器械的應(yīng)用中，如鈦合金骨科植入物、牙科種植體或心血管支架，材料與人體組織之間的界面常存在一層極薄的液膜（厚度從幾十納米到幾微米不等）。這一薄液膜不僅是物質(zhì)交換的通道，更是免疫反應(yīng)、細(xì)菌定植和腐蝕過(guò)程的發(fā)生場(chǎng)所。研究表明，該液膜的pH變化可作為早期病理事件的重要信號(hào)。

例如，在植入體周?chē)腥荆╬eriprosthetic joint infection,PJI）過(guò)程中，金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等常見(jiàn)致病菌會(huì)形成生物膜。這些微生物通過(guò)糖酵解產(chǎn)生大量乳酸等酸性代謝產(chǎn)物，導(dǎo)致局部微環(huán)境酸化。因此，若能在感染初期捕捉到材料表面液膜pH的下降趨勢(shì)，便可實(shí)現(xiàn)早于臨床癥狀出現(xiàn)前的預(yù)警。

案例研究一：解析細(xì)菌生物膜內(nèi)的pH梯度

一項(xiàng)典型研究利用Unisense pH微電極成功測(cè)定了金黃色葡萄球菌生物膜內(nèi)部的pH分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在成熟生物膜的外層（靠近材料表面），pH約為7.2，接近生理水平；然而，隨著探針向生物膜深層推進(jìn)，pH逐漸降低，在中心區(qū)域可降至5.8。這種明顯的pH梯度揭示了代謝產(chǎn)物（尤其是乳酸）在生物膜內(nèi)擴(kuò)散受限的現(xiàn)象——外部氧氣充足支持有氧代謝，而內(nèi)部缺氧促使厭氧發(fā)酵增強(qiáng)，進(jìn)而積累酸性物質(zhì)。

該發(fā)現(xiàn)不僅加深了人們對(duì)生物膜耐藥機(jī)制的理解（低pH可抑制抗生素活性并改變細(xì)菌代謝狀態(tài)），也為開(kāi)發(fā)靶向酸性微環(huán)境的抗菌策略提供了依據(jù)。例如，設(shè)計(jì)pH響應(yīng)型抗菌涂層，在檢測(cè)到局部酸化時(shí)自動(dòng)釋放殺菌成分，從而實(shí)現(xiàn)“智能防御”。

案例研究二：腫瘤微環(huán)境模擬與藥物載體優(yōu)化

除了感染監(jiān)測(cè)，pH微電極還在癌癥治療研究中發(fā)揮重要作用。實(shí)體瘤組織普遍存在“Warburg效應(yīng)”，即癌細(xì)胞偏好無(wú)氧糖酵解，即使在富氧條件下也大量產(chǎn)酸，導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境偏酸性（pH約6.5～6.9），遠(yuǎn)低于正常組織的pH 7.4。研究人員利用pH微電極在仿生腫瘤液膜系統(tǒng)中精確控制并監(jiān)測(cè)這一酸性環(huán)境，用于評(píng)估新型納米藥物載體的性能。

目前常見(jiàn)的pH響應(yīng)型納米載體包括：

聚合物膠束：如聚乙二醇-聚乳酸（PEG-PLA）共聚物，其在低pH下發(fā)生構(gòu)象變化，釋放包載藥物；

脂質(zhì)體：經(jīng)修飾后可在酸性環(huán)境中破裂或融合細(xì)胞膜；

介孔二氧化硅納米顆粒：表面接枝pH敏感開(kāi)關(guān)分子，控制孔道開(kāi)閉。

借助pH微電極，科學(xué)家能夠?qū)崟r(shí)跟蹤藥物釋放動(dòng)力學(xué)，并分析其與微環(huán)境pH變化的相關(guān)性，從而優(yōu)化載體設(shè)計(jì)參數(shù)（如臨界相變pH、釋放速率等）。此類(lèi)系統(tǒng)已在乳腺癌、結(jié)腸癌等多種腫瘤模型中展示出更高的靶向性和更低的全身毒性。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以丹麥Unisense公司為代表的pH微電極技術(shù)，正逐步成為連接材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)的橋梁。通過(guò)對(duì)鈦合金植入體表面薄液膜、細(xì)菌生物膜及腫瘤微環(huán)境的精細(xì)pH測(cè)繪，我們不僅能深入理解疾病發(fā)生的化學(xué)基礎(chǔ)，還能推動(dòng)智能診療系統(tǒng)的研發(fā)。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，pH微電極有望在個(gè)性化醫(yī)療、即時(shí)檢測(cè)（POCT）和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，為人類(lèi)健康保駕護(hù)航。