Перевод статьи «Revolutionizing biodegradable metals» из журнала Materials Today

     Нанесение флуоресцентных покрытий на корродирующий  металл – это еще один способ визуализации процесса коррозии и изменения  локального pH. Портативные УФ-лампы могут быть использованы для иллюстрации истончения покрывающих слоев. Джули Левескью и другие разработали испытательную кабину для воспроизведения физиологических условий,  в которых происходит имплантация стентов в коронарные артерии. 

     Для оценки коррозионных свойств различных  металлов полезно использовать  (DC) поляризационное тестирование. Сравнение коррозии различных магниевых материалов после 48 часов погружения в моделирующую жидкость тела (SBF) показано на рис. 4а. 

     Прототип  магния имеет более низкую первоначальную скорость коррозии, чем другие тестируемые  материалы. Дальнейшее тестирование показывает, подходит ли прототип на роль импланта. Потенциометр, использующийся в качестве датчика, может отслеживать коррозию с течением времени.  

     Беспроводной  коррозионный мониторинг

     Мониторинг  биомедицинских имплантов, пока они  корродируют в теле, может помочь понять процесс коррозии и проверить, что имплант разлагается не слишком  быстро и не слишком медленно для  конкретного человека. В идеале имплант  должен следовать по определенной реакции растворения. На начальных этапах имплант должен нести нагрузку и способствовать медленному восстановлению травмированных участков. По мере восстановления имплант должен постепенно разлагаться и передавать часть нагрузке телу до тех пор, пор пока он не восстановиться или не вылечится. Кроме того, скорость коррозии должна быть достаточно медленна, чтобы имплант не разрушился под тяжестью нагрузки, и концентрация побочных продуктов коррозии не привысила предельного значения, которое тело сможет вынести.

     Беспроводной  токовихревой мониторинг коррозии магниевых  имплантов сейчас разрабатывается. Такой подход является безопасным, простым и низкостоящим по сравнению  с Х-излучением или методов магнитной  резонансной томографии. Токовихревой метод построен на принципе использования переменного тока в первичной катушке, который генерирует магнитное поле внутри и вокруг катушки. Когда электрический проводник приходит вблизи с магнитным полем, электрические токи, называемые "вихревые токи" индуцируются в проводнике. Вихревые токи создают магнитное поле, которое выступает в качестве противовеса полю, которое создало вихревые токи. Влияние выхревых токов может быть измерено путем намотки вторичной обмотки (выход) внутри первичной обмотки (вход). Связь между двумя обмотками снижается, когда проводник проходит в магнитном поле. Обычно токовихревой метод используется, когда нужно найти трещину в алюминиевом самолете или коррозию в стальном трубопроводе. Был проведен эксперимент по мониторингу коррозии  импаланта в человеческом теле. Mg-Y 4% пластина размером 25.4 x 15.8 x 3.2 мм была взвешена и погружена в стакан, содержащий высокую (х10) концентрацию фосфат-солевого амортизирующего раствора, который ускоряет процесс коррозии.  
 
 
 

     Стенки стакана представляли кожу, а PBS раствор представлял среду человеческого тела. Внешняя поверхность стакана была обмотана гибкой катушкой, которая создавала магнитное поле, окружающее магниевый имплант. Расстояние между катушками и имплантом составляло 10 мм. Когда магниевую пластину в первый раз положили в электролит, то наблюдался максимум электропроводности и вихревых токов, возникающих в пластине, а выходное напряжение вторичной обмотки было наименьшим. По мере корродирования импланта выходное напряжение катушки постепенно увеличивается, потому что размер импланта уменьшается, а следовательно вихревых токов возникает меньше. Максимальное выходное напряжение наблюдается, когда имплант полностью растворен. Источник напряжения был отключен, когда измерения еще не были сделаны, потому что вихревые токи могли повлиять на скорость коррозии импланта. Схематическая экспериментальная установка показана на рисунке 5а. Зависимость изменение напряжения от уменьшения массы импланта представлена на рисунке 5б. Масса импланта немного увеличивается в начале испытания в связи с образованием на поверхности магния оксидной или гидроксидной пленки. Спустя 2 дня масса магниевой пластины начинает уменьшаться. По мере того как потери веса магниевой пластины увеличиваются, выходное напряжение катушки также увеличивается. Изменение напряжения (ΔV) было получено путем вычитания из выходного напряжения в начале эксперимента выходное напряжение, измеряемое каждый день в течение эксперимента. После этого испытания имплант может быть введен в человеческое тело, а напряжение зарегистрировано. Величина коррозии импланта может быть определена с помощью кривой, показанной на рисунке 5б. К тому же, другие аномалии, похожие на быструю или медленную коррозию или переломы импланта, могут быть обнаружены. Оставшийся срок службы импланта также может быть предсказан исходя из профиля коррозии. Точность этого метода зависит от того, на сколько точно были смоделирована среда человеческого тела в лабораторных условиях. Следующий шаг – это введение импланта в модель животного и измерение напряжения с течением времени, пока имплант разъедает. Рентгеновские снимки должны быть использованы для отображения процента коррозии импланта в животном. Дальнейшие исследования в области измерения явления коррозии будут сосредоточены на оптимизации геометрии катушки, например, использование больших катушек, использование меди в качестве материала катушки, увеличение токов для улучшения чувствительности измерений явления коррозии. Также необходимо представлять измерения, когда имплант помещен глубоко в тело. Оценка метода проведения мониторинга коррозии для различных магниевых сплавов, пористых материалов и различных покрытий для имплантов также планируется.  
 

     Химические  датчики для характеристики интерфейса импланта

     Биоразлагаемость  металлических имплантов таких  как сплавы Mg происходит химическим путем в соседних тканях и жидкостях. Большого размера датчики уже существуют для некоторых химических элементов, таких как ионы водорода (Н⁺), ионизированного магния (Mg ²⁺) и растворенного водорода, их состояние можно отслеживать в объеме раствора в течение процесса биоразложения. Несмотря на то, что такая информация может быть очень полезна в разработке соответствующих биоматериалов, до сих пор было сделано очень мало датчиков. Как уже было сказано, датчики, которые уже были продемонстрированы в других биологических исследованиях, также могут быть эффективны для использования в развивающихся биоразлагаемых металлических имплантах.  

     pH – датчики

     Местный pH – это важнейший параметр в коррозии биоразлагаемых металлических имплантов, поскольку рН на или вблизи границы металл/ткань влияет на скорость коррозии и предоставляет информацию о самом процессе. Поэтому для металлических имплантов требуется надежный и свободно имплантируемый  рН датчик. Ионы водорода влияют на большинство жизненных процессов, поэтому были разработаны различные пути измерения рН в отдельных клетках и плазме. Здесь мы обсуждаем некоторые виды рН датчиков и их возможность к зондированию импланта.

     Стеклянные  рН электроды были изучены более 70 лет назад, благодаря их отличной избирательности они стали стандартными РН датчиками для объемов растворов. Тем не менее, стеклянные электроды  хрупкие, непластичные, склонны к  врастанию в биологическую массу, что ограничивает их использование  в естественных условиях и обычно стеклянные рН датчики используются в лабораторных условиях. С 1960-х, оксидо-электродные системы известные как избирательные электроды с твердыми ионами, были изучены для измерения рН. Каммили и другие описали рН электрод на базе иридий/оксид иридия и имплантировали его в правый желудочек крыс. Стабильный рН ответ поддерживался в течение 40 дней имплантации. Однако, металл/оксид металла являются предметом вмешательства других электроактивных элементов в крови, таких как аскорбиновая кислота и мочевая кислота. С 1970 транзисторы с ионо чувчтвительными полями (ISFETs) стали новым типом электродов химического зондирования. ISFET – это транзистор с полупроводником из оксида металла, в котором составляющая из оксида металла заменена ионочувствительной мембраной. Вместо измерения разности потенциалов, ISFET использует потенциал для контроля тока между «истоком» и «стоком». Таким образом, ток используется для мониторинга активности. ISFET может быть простым и миниатюрным или массового производства, в качестве нескольких чувствительных элементов объединенных в один чип. В насоящее время большинство имплантируемых ISFET используются для мониторинга электролитов (K⁺, Ca²⁺ и Na⁺) в крови. Коммерциализация имплантируемых ISFET создает проблемы, которые могут потребовать значительных усилий для организации подобающей упаковки, «горящих» периодов или исправления оплошностей в течении непрерывного мониторинга в естественных условиях.

     Оптические  и волоконно-оптические датчики  рН имеют преимущества перед стеклянными  электродами в том, что они  защищены от электрических помех, могут  быть миниатюрными,  могут быть использован  для дистанционного зондирования и  в естественных условиях испытаний. Большинство оптических рН датчиков основаны на рН  показателях, встроенных на в твердые подложки, и изготовлены  в виде мембран или тонких твердых прозрачных покрывающих пленок. Однако, большинство волоконно-оптических датчиков рН изготавливаются путем присоединения чувствительных элементов на кончик оптического волокна, или путем прямого покрытия. Такой вид оптического рН датчика бал использован для измерений внутриклеточного рН внутри индивидуальных биологических клеток и в крови для клинических тестов. Коммерческие имплантируемые оптические рН микродатчики были разработаны PreSens Precision Sensing Company и основывались на стекловолоконном наконечнике. Этот вид датчиков имеет длинный кабель, связывающий датчик и наконечник, что не удобно.

     Развитие  углеродных нанотрубок (CNTs)  с 1991 года положило начало их использованию в  широм спектре разработок, включая  наноэлектронику и различные  виды датчиков. CNT с карбоксильной группой (-COOH) на стеклоуглеродном электроде были использованы для выявления рН Вебером. Квон сделал распыляющийся CNT датчик, который показывает амперометрический ответ на амортизирующие растворы различных рН. В 2007 Ло были разработаны слоистые CNT-  полиэлектролитные тонкие пленки, которые могут выдерживать экстремальные нагрузки. Ли докладывал о датчиках для многослойных тонких пленок, рН-зависимых CNT. Другие рН зонды, основанные на CNT, включают скрепленные рН чувствительные молекулы CNT и дополняют их флуоресцентными молекулами. Графен, аллотроп углерода, привлекал к себе интерес в последнее время из-за его потенциального применения в ультрабыстрой электронике. Зависимость чувствительности графена от поверхностного заряда или плотности ионов позволяет сделать рН датчик.  

       Зондирование выделения газа водорода из магниевых имплантов

     На  протяжении процесса коррозии магния в водо- и хлоридосодержащей среде, такой как человеческое тело, выделившиеся электроны уменьшают количество воды и выделяется катодный газ водорода. Такой процесс предпочтителен, потому что благодаря нему можно измерить количество водорода в организме, чтобы определить какие уровни токсичности были сформированы. Было создано достаточно много методов обнаружения водорода для транспорта, нефтехимии, аэрокосмической области и энергетики, но они не подходят для выполнения измерений в биологических образцах. Однако, с конца 1950 водород был использован в качестве индикаторного вещества для измерения локального кровотока организма в естественных условиях. Хайманом разработана методика для измерения количества водорода в кровяном потоке. На фоне этого датчик для измерения выделения водорода рядом с имплантом может быть разработан. 

     Mg ²⁺ датчики

     Ионо-селективные  магниевые электроды являются эффективными в отслеживании Mg²⁺  в биологической матрице, позволяют отслеживать деградацию выбранных имплантов в реальном времени. Не менее важен мониторинг скоплений Mg²⁺  вблизи или в области, прилегающей к импланту для экспериментов по посеву клеток в естественных условиях.  В этой ситуации могут быть использованы очень маленькие имплантируемые датчики. Эти электроды должны располагаться вблизи живой ткани. Большинство магниевых  ионо-селективного электродных (ISE) технологий используют жидкую мембрану,  пропитанную ионофором, который чувствителен к Mg²⁺. Внутриклеточные измерения Mg²⁺ находятся в центре внимания на протяжении большей части исследований, связанных с микро (ISE) ИСЭ. Микро ионо-селективные электроды сделаны из стеклянных капилляров с жидкой мембраной, которые реагируют на Mg²⁺ , существуют с конца 1960-х; большинство исследований сосредоточено на использовании их в биологических разработках. Большие жидкие мембраны ISE используются обычно в клинической химических анализаторах, которые контролируют соответствующие ионов в крови.

     Хотя  прогрессом было уже создания ISE, есть еще некоторые проблемы, связанные  с традиционными жидкими мембранами ISE.

     Время жизни жидких мембранных электродов коротко (несколько дни) по сравнению  со стеклянными мембранными электродами (рН), которые могут существовать годами. Как правило, магниевые ISEs страдают от вмешательства щелочных и щелочноземельных металлических ионов, с двухвалентными катионами, которые вызывают наибольшие затруднения. В качестве альтернативы жидким мембранным электродам служат твердые ISEs , разрабатывающиеся в настоящее время, чтобы избежать некоторых проблем, связанных с жидкими мембранными электродами. Твердые электроны легки в обслуживании и имеют долгий срок эксплуатации, в оличие от традиционных капиллярных электродов. Кроме того, твердые ISEs легче миниатюризировать, чем традиционные капиллярные электроды. Использование CNT видимо революционизирует размер твердыч ISE и поставит предел  миниатюризации.  

Датчики использующиеся в сканировании электрохимической микроскопией

     Сканирование  электрохимической микроскопией (SECM) - это электрохимический метод, аналогичный атомно-силовой микроскопии (AFM), но использующий миниатюрные датчики, чтобы определить нахождение концентраций ионов, прилегающих к поверхности. Миниатюрные датчики для Mg ²⁺ и рН позволяют SECM использоваться для исследования ионных градиентов и деградации имплантатов микро масштабах. Ламака и другие продемонстрировали использование ISE  Mg ²⁺ и рН для определения расположения ионной концентрации до деградации магниевого образца. Техника дает детальную картину растворения образцов магниевых имплантов в микромасштабе. Изучение начала микро коррозии металлов – это область, где SECM оказывается полезным. Биопокрытия, которые выводят лекарства и остатки разложившегося импланта, считается, будут неотъемлемыми для разлагающихся имплантов. Действие биоразлагающихся покрытий на имплант и прилегающие клетки и минерализации на скорость растворения Mg должны быть исследованы с использованием SECM. Использование SECM в качестве инструмента для исследования тонких пленок и их взаимодействия с металлическим поверхностям было опубликовано. Разрешение SECM ограничено размером электрода. Таким образом, в процессе миниатюризации датчиков важно, что несмотря на микро размеры ISE детализация данных, полученных с помощью SECM, должна увеличиваться. Для всех типов датчиков, описанных выше, развитие CNT электродов как показано на рис. 6 может предоставить преимущества, такие как инертное поведение,  хорошая прочность, малый размер, и большая площадь поверхности при малом объеме.