克莱姆森大学利用水凝胶pH传感器来测量人体假肢滑液 pH 值

最近，克莱姆森大学Jeffrey N. Anker教授团队描述了一种植入式传感器，用于测量滑液 pH 值，用于使用标准护理平片检查无创早期检测和监测髋部感染。该传感器由基于 pH 响应的聚丙烯酸水凝胶制成，在高 pH 值时膨胀，在低 pH 值时收缩。在水凝胶的两端嵌入高密度钽珠和钨丝，通过平片监测水凝胶传感器响应 pH 值的长度变化。

基于水凝胶的 pH 传感器的有效酸解离常数(pKa)为5.6，pH 4 和 8 之间的灵敏度为3 mm/pH 单位。该传感器在 pH 6.5 和 8 的生理相关 pH 范围内显示出线性响应和可逆性。7.5 在缓冲液和牛滑液溶液中，时间常数为30分钟。传感器连接到移植的假体髋关节上，通过测量钽珠和不透射线的金属丝之间的长度，从 X 射线图像中确定pH值响应。因此，开发的传感器将能够使用平片对植入物髋部感染进行无创检测和研究。相关论文以题为Synovial Fluid pH Sensor for Early Detection of Prosthetic Hip Infections发表在《Advanced Functional Materials》上。

主图

全球每年有数百万人接受髋关节置换手术。在这些手术中，髋关节被手术切除并替换为假肢组件(图 1a)。该团队报告了在手术过程中插入的基于 X 射线的传感器的开发，该传感器可用作潜在的 X 射线成像功能化学传感器，用于无创检测和研究植入物感染(图 1b)。

图1 a)装有假肢的患者的 X 光片。b) 附有滑膜 pH 传感器的假体髋关节示意图。插图显示了 pH 传感的机制。c) 带有 pH 传感器的髋关节假体照片。d) 带有 pH 传感器的髋关节假体的射线照片。

传感器校准和可逆性

图2 a) 聚丙烯酸水凝胶的 pH 响应 pH 值为2到11。b) 聚丙烯酸水凝胶在牛滑液中的可逆性在 pH 6.5 和 7.5 之间循环变化。线显示拟合指数。

连接到假肢髋关节植入物的成像传感器和观察者间的可靠性

图3 

a)牛滑液中 pH 7.5 和 6.5 的植入物传感器。

b) 在 pH 6 和 8.5 之间的牛滑液中随机系列 15 张 X 光片的五名观察者研究。

总结

该团队描述了第一个使用平片测量滑液 pH 值的植入式传感器。该传感器在牛滑液溶液中的 pH 6.5 和 7.5 范围内在 30 分钟内具有线性响应和可重复响应，pH 精度为 0.08 pH 单位。该方法快速、无创，并使用已作为术后护理标准的一部分的X射线。因此，开发的传感器可用作潜在的 X 射线成像功能化学传感器来检测术后髋部感染。