Visual Hydrogen Mapping Sensor for Noninvasive Monitoring of Bioresorbable Magnesium Implants In Vivo

用于體內(nèi)生物可吸收鎂植入物無創(chuàng)監(jiān)測的視覺氫標測傳感器

來源：JOM, Vol. 72, No. 5, 2020

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文摘要提出一種可視化氫氣（H?）映射傳感器，用于無創(chuàng)監(jiān)測可降解鎂合金（LAZ611和WKX41）植入物的生物降解過程：

 

工作原理：傳感器由MoO?/Pd納米顆粒薄膜組成，暴露于H?時發(fā)生不可逆顏色變化（灰→深藍），反映皮下鎂合金降解產(chǎn)生的H?滲透濃度；

 

創(chuàng)新優(yōu)勢：相比丹麥Unisense電化學(xué)H?傳感器（單點測量），可生成三維H?滲透圖（圖1b, 2b），操作簡便、成本低、無輻射風險；

 

驗證結(jié)果：成功區(qū)分不同降解速率的鎂合金（LAZ611快于WKX41），靈敏度滿足無可見氣泡的慢速降解場景（圖2a）。

 

 

2. 研究目的

 

解決可降解鎂合金植入物體內(nèi)降解監(jiān)測的臨床挑戰(zhàn)：

 

問題1：傳統(tǒng)方法（如重量損失）僅提供平均降解率，無法實時反映動態(tài)變化；

 

問題2：現(xiàn)有電化學(xué)H?傳感器（如Unisense）需逐點測量，耗時且難實現(xiàn)大面積成像；

 

目標：開發(fā)大面積可視化傳感器，實現(xiàn)非侵入、實時、空間分辨的降解動力學(xué)監(jiān)測。

 

3. 研究思路

 

1.傳感器設(shè)計：

 

柔性透明基板（10μm）上真空沉積MoO?（350nm）/Pd納米顆粒（2nm）/PTFE（100nm）三層膜（圖未展示）；

 

H?觸發(fā)反應(yīng)：Pd催化H?解離→H原子還原MoO?→生成有色氫青銅（顏色不可逆）。

2.動物模型：

 

裸鼠皮下植入鎂合金圓片（LAZ611/WKX41，?5×1.4mm）；

 

傳感器裁剪至1cm×1cm覆蓋植入?yún)^(qū)域，膠帶固定于皮膚（圖1a, 2a）。

3.數(shù)據(jù)采集：

 

可視化監(jiān)測：定時拍攝傳感器顏色變化（圖1a, 2a）；

 

定量分析：ImageJ軟件轉(zhuǎn)換RGB圖像為亮度值（圖1c, 2d）；

 

對照驗證：Unisense電化學(xué)傳感器測量H?濃度（圖3b）。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及研究意義

（1）降解動力學(xué)可視化（來自圖1a, 2a）

 

數(shù)據(jù)：

 

LAZ611：112分鐘全區(qū)域變深藍（圖1a）；

 

WKX41：240分鐘僅中心區(qū)域深藍（圖2a）。

 

意義：直觀比較合金降解速率（LAZ611 > WKX41），空間分布揭示中心降解最快（與氣體腔位置一致）。

 

（2）三維H?滲透圖（來自圖1b, 2b）

 

數(shù)據(jù)：亮度值構(gòu)建3D圖，中心亮度最低（H?濃度最高），邊緣遞增（圖1b, 2b）；

 

意義：首次實現(xiàn)降解熱區(qū)成像，為大型植入物（如骨板）的局部腐蝕評估提供新工具。

 

（3）亮度-時間定量關(guān)系（來自圖1c, 2d）

 

數(shù)據(jù)：

 

LAZ611：亮度 = -0.41×時間 + 119.9（R2=0.91）；

 

WKX41：亮度 = -0.24×時間 + 96.8（R2=0.96）。

 

意義：斜率量化降解速率（LAZ611斜率更大），為合金設(shè)計提供參數(shù)化反饋。

 

（4）Unisense驗證數(shù)據(jù)（來自圖3b）

 

數(shù)據(jù)：

 

LAZ61：中心H?濃度140±25μM，邊緣68–95μM；

 

WKX41：中心75±18μM，邊緣28–40μM。

 

意義：驗證視覺傳感器準確性，證實中心降解更快的空間規(guī)律（圖3b）。

 

5. 結(jié)論

 

1.技術(shù)可行性：視覺H?映射傳感器可實時、無創(chuàng)監(jiān)測鎂合金體內(nèi)降解，靈敏度覆蓋快/慢速降解合金（LAZ611/WKX41）。

2.臨床價值：

 

提供空間分辨的降解動力學(xué)（優(yōu)于單點測量的Unisense傳感器）；

 

操作簡便、無輻射風險，適用于長期監(jiān)測及大型植入物評估。

3.改進方向：提升Pd催化劑活性以縮短響應(yīng)時間，增強薄膜粘附性適應(yīng)活體運動。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

在研究中承擔關(guān)鍵驗證與基準角色：

 

1.精度錨定：作為金標準提供絕對H?濃度值（μM級），校準視覺傳感器的亮度-濃度關(guān)系（圖3b）；

2.空間定位驗證：通過多點測量（中心/邊緣）證實降解的空間異質(zhì)性（中心>邊緣），支撐3D滲透圖的可信度；

3.技術(shù)對比凸顯優(yōu)勢：

 

局限性：單點測量（探頭?50μm）需耗時定位，無法快速成像；

 

視覺傳感器優(yōu)勢：Unisense數(shù)據(jù)反襯新技術(shù)的大面積成像效率（一次曝光vs.逐點掃描）。

 

核心貢獻：為無輻射監(jiān)測技術(shù)提供定量基準，推動可視化傳感器向臨床轉(zhuǎn)化。