氢气微电极有望成为监测体内皮下镁合金生物降解的有效手段。与传统的生物降解率监测方法(如取出样品的重量损失、X射线测量和显微CT)相比，氢气传感器具有优势。与失重法相比，它可以测量实时的生物降解率，而不是整个植入过程中的综合生物降解率。与X射线和显微CT相比，该仪器的成本要低得多，而且不会受到辐射。

摘要

在体内监测镁及其合金的生物降解过程具有挑战性。目前，这一过程是通过体内显微CT和X射线成像来监测的，这需要大型且昂贵的仪器。在这里，我们报告了一种简单有效的方法：通过在小鼠皮下植入的镁样品上方H2透皮传感来监测体内生物降解过程。电化学氢气微电极用于测量两种镁合金(ZK40和AZ31)和一种高纯度镁单晶(Mg8H)在皮肤表面的生物降解产物H2。该微电极能够轻松检测到皮肤中渗透的低浓度H2(30-400μM)，响应时间约为30秒。H2浓度与通过测量植入物的重量损失确定的生物降解率相关。这种新方法无创、快速，而且不需要大型设备。

1引言

与目前使用的永久性不锈钢和钛植入物相比，用于骨修复的可生物降解植入物(如钢板和螺钉)具有许多优点。重要的是，基于生物可降解材料的植入物最终会在不再需要时溶解，从而避免了日后出现并发症时手术移除装置的需要。基于以下几个原因，镁基合金是一种特别好的候选材料。镁是一种重量轻的金属(1.74-2.0克/立方厘米)，与骨密度(1.8-2.1克/立方厘米)非常接近。镁基合金的密度通常分别是不锈钢和钛基合金的4.5倍和3.3倍。镁合金的弹性模量为45GPa，非常接近人体骨骼的弹性模量(45-57GPa)。这些特性可减少应力屏蔽和相关的骨密度损失。此外，镁还具有生物相容性，人体可耐受较大量的镁而不会产生不良影响。此外，由于镁在骨组织中的功能作用和存在，镁对新骨组织的生长具有刺激作用。可通过使用合金或涂层来控制生物降解速度，以满足应用需求。

镁及其合金在水环境中会发生降解，生成镁离子(Mg2+)和氢氧根离子(OH-)以及氢气(H2)。当pH值变得足够碱性时，OH-与Mg2+发生反应，在表面沉淀为氢氧化镁(Mg(OH)2)。每降解一摩尔金属镁，就会释放出一分子H2。因此，测量挥发的氢气可以直接反映镁的腐蚀情况。由于1mL的H2蒸发量大约相当于1mg的镁溶解量，因此测量H2蒸发率就相当于测量镁合金的生物降解率或腐蚀率。迄今为止，H2演化的测量大多是在体外通过测量产生的H2体积进行的。这种方法比较麻烦，而且H2气体收集仪器经常发生泄漏。体内生物降解过程的监测可采用显微CT和X射线吸收法，前者需要大量的设备投资，后者同样价格昂贵，而且需要暴露在辐射下，还需要进一步进行耗时的复杂分析，包括了解所形成的不同腐蚀产物在X射线吸收系数上的差异，以便进行量化。因此，需要一种简单有效的体内H2检测方法，用于合金和设备的动物试验。

通过传感腐蚀产物H2来监测体内生物降解比传感其他腐蚀产物OH-和Mg2+有许多优势。首先，由于H2在皮肤中的高渗透性，只有H2可以进行非侵入式监测。与pH或Mg2+的情况相比，通过外科手术插入传感器具有很大的优势。无创测量还意味着传感器不会受到生物液体成分或生物污垢的干扰。其次，哺乳动物体内不存在需要校正的大量H2背景水平。例如，小鼠血液中的氢气浓度只有约1μM。Mg2+在体内的浓度相对较高(成人血清中的Mg2+浓度为0.75-0.95mM)，本底水平是一个问题。Mg2+传感器需要有足够的精确度，才能检测到由于生物降解而导致的小幅升高。此外，常用的Mg2+电化学传感器(离子选择性电极)会受到Ca2+的严重干扰，而Ca2+在体内的浓度较高(成人血清中约为2.0-2.6mM)。第三，氢气在生物介质中相对无反应，因此是一种可靠的生物降解标记物。相比之下，释放的OH-会被缓冲液消耗掉，这严重影响了用于监测生物降解的pH值测量。此外，Mg2+还会与各种阴离子(如OH-和碳酸盐)反应形成沉淀物，并与天然存在的有机配体(如乳酸盐和柠檬酸盐)和蛋白质反应形成复合物，可能会使其在离子选择电极等传感器上变得模糊不清。第四，市场上已经有一种具有极佳检测限和选择性的电化学氢气电极。

文献广泛报道了与植入镁合金相关的气穴的形成。然而，这些气穴中的H2浓度并不明确，因为在60多年前首次将镁作为植入物进行测试时，只有少数研究使用了非H2专有技术。此后再无相关报道，大多数研究人员认为这些空腔主要含有H2。我们通过将快速降解的镁合金(Mg-4wt%Y-0.5wt%Gd-2wt%Nd-0.5wt%Dy)盘植入小鼠皮下，并使用通过皮肤切口插入空腔的电化学H2微电极测定H2气体的浓度，从而验证了这一假设。结果通过气相色谱质谱法(GC-MS)得到证实。有两个重大发现：(1)首先，气穴中的H2浓度实际上非常低，甚至在气穴形成后不久也是如此。

术后1天、2天和5天用传感器测量的气穴中H2浓度从95±34μM(0.22±0.08vol.%)到428±35μM(0.97±0.08vol.%)不等。用注射器从气腔中采集的样本经气相色谱质谱分析证实了这些低水平的H2。因此，气穴中的H2含量始终低于1%。其余气体为二氧化碳和氧气(均由气相色谱质谱仪测量)，可能还有氮气，但由于氮气是气相色谱中的载气，因此无法量化。

这些结果表明，氢气通过植入物周围的生物组织直接传输的速度非常快。还应注意的是，H2在水中的溶解度很低，在海平面20℃时，饱和浓度仅为805μM。气腔中H2含量低的原因可以解释为这种快速传输加上氢气在水性生物液体和细胞中的低溶解度。(2)其次，只需将微电极尖端按压在覆盖植入物的皮肤上即可进行无创测量，与将微电极尖端插入气腔内进行有创测量的结果相似。这一观察结果证实了H2在皮肤等生物组织中的传输速度非常快。从实用角度来看，最重要的是，这意味着只需将经皮测量的H2传感器按压在皮肤上，就可以无创跟踪体内的H2水平。认识到皮肤对H2的渗透性以及电化学H2传感器的高灵敏度，确实为开发无创H2传感技术开辟了道路，使其成为跟踪镁植入物体内生物降解率的有效方法。

在此，我们报告了利用电化学氢气电极对植入小鼠皮下的三种生物降解合金中的H2进行透皮测量的结果。此外，我们还将H2水平与通过探查合金重量损失获得的生物降解率进行了关联。据我们所知，这是首次将通过H2传感器经皮测量氢气作为镁合金皮下评估的常规部分。只需将微电极顶端按压在覆盖植入物的皮肤上，即可快速进行无创测量。不需要微型计算机断层扫描和X射线等大型设备，也不会受到X射线辐射。这种简单的方法为开发无创H2传感技术开辟了道路，是在体内无创跟踪镁及其合金生物降解率的有效方法。