CN107860801A - 用于在体测定骨植入镁或镁合金电化学腐蚀的装置和方法 - Google Patents

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伍立坪
朱悦
董俊华
赵润英
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis

Abstract

本发明涉及用于在体测定骨植入镁或镁合金电化学腐蚀的装置及方法。该装置包括体内结构和体外结构，体内结构包括内置的工作电极和铂电极、体液池、盐桥前段，体外结构包括盐桥后段、饱和氯化钾溶液、参比电极、电化学综合测试仪和分析装置。工作电极前端为植入在动物股骨中的镁或镁合金，盐桥前、后段内分别为体液和琼脂，铂电极设置在距离镁或镁合金一定距离的股骨与肌肉之间，参比电极前端插入饱和氯化钾溶液，工作电极、铂电极和参比电极的后端均连接电化学综合测试仪，电化学分析测试仪与分析装置相连。该装置突破了可降解金属材料无法在体内进行电化学腐蚀行为研究的瓶颈，为未来骨植入镁和镁合金耐腐蚀研究提供了一种准确、科学的方法。

Description

用于在体测定骨植入镁或镁合金电化学腐蚀的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种骨折内固定植入的金属材料在体内电化学腐蚀行为的测定装置和方法的技术领域，尤其是用于在体测定骨植入生物可降解镁或镁合金材料电化学腐蚀行为的装置和方法。
背景技术
骨折内固定通常采用植入金属材料(螺钉、接骨板和髓内针)的方法。(一)
现有金属材料的缺点
目前临床骨科广泛应用的螺钉、接骨板和髓内针等主要由不锈钢、钛合金及钴合金等金属生物材料制成，但存在诸多缺点：①经过在体内的磨损与腐蚀过程，释放出某些毒性金属离子或/和金属颗粒，产生炎症级联反应，从而导致组织缺损以及生物相容性的降低；②弹性模量与正常人体骨组织匹配度较低，骨折愈合后期产生应力遮挡效应，造成植入物的稳定性降低以及新生骨组织生长减慢；③骨折愈合后，往往需要二次手术取出内固定物，增加了病人痛苦、社会医疗成本以及临床并发症的发生率。
(二)热点研究的生物可降解镁或镁合金材料的优缺点及改善措施
鉴于上述原因，可降解的镁或镁合金作为新型骨植入材料的研究成为了热点，如AZ31、AZ91、AM50、LAE442、WE43，及JDBM(Mg-Nd-Zn-Zr基合金系列，即交大镁合金系列)等。
1、镁或镁合金优势：①镁或镁合金的密度及弹性模量均与人体相接近，可以有效缓解应力遮挡效应对骨组织生长的不良影响。②其降解产物镁离子是人体必需的常量元素之一。③镁离子具有促进成骨细胞增殖的特性，可以缩短骨折愈合的时间；④降解后无需二次手术取出植入物。
2、镁的缺点：纯镁腐蚀速度太快,在骨组织充分愈合之前就失去其机械完整性，从而限制了它的应用。
3、改善措施：人们企图用多种方式提高可降解镁或镁合金作为骨植入材料耐腐蚀性能，例如：
(1)高纯化：去除杂质；
(2)合金化：添加适量的锆、钙、锶、稀土等元素；
(3)表面处理：建立具有生物活性的涂层。
(三)现有镁或镁合金骨植入材料耐腐蚀的研究方法及其缺陷
镁或镁合金作为可降解骨植入材料应用于临床之前，需要进行大量的基础耐腐蚀实验研究。电化学腐蚀是镁或镁合金最重要的腐蚀行为，电化学腐蚀实验是实时动态监测可降解镁或镁合金腐蚀行为的重要方法。目前，国内和国际上对于镁或镁合金电化学腐蚀行为的研究，还一直停留于在体外模拟体液中进行实验这个层面，但模拟体液毕竟与复杂的体内环境相差甚远，无法准确反映镁或镁合金再体内的电化学腐蚀行为。国内、外在体内动态监测镁或镁合金电化学腐蚀行为的实验装置和实验方法处于空白状态。而通过体内实验研究其腐蚀行为，如采用电镜、CT对样本进行扫描的方法，同样存在严重缺陷。
1.体外实验
通常把镁或镁合金浸入模拟体液中进行电化学腐蚀行为等研究。但由于与复杂的人体内环境相差甚远，难以准确反映镁或镁合金的腐蚀行为。
2.体内实验
通常是在动物股骨内植入镁或镁合金材料的情况下进行，常用的检测方法主要为两种：
(1)电镜扫描：定期处死动物取出材料，然后电镜扫描观察样本表面的腐蚀情况，或通过失重法计算降解率。这两种方法前者仅能定性，后者虽为定量，但二者都需要付出处死大量动物的代价和消耗大量的人工成本。
(2)CT扫描：定期对植入镁或镁合金实行CT扫描，以观察样本体积的变化。这种方法也属于定性实验，无法观察样本短时间内的细微变化，而且频繁的CT扫描导致射线对动物及操作者的伤害很大，成本也同样很高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明以新的理念设计一种全新结构的，特别是能够在动物机体内生理环境下，动态测定生物可降解镁或镁合金骨植入材料电化学腐蚀行为指标的实验装置，即建立一个“体内电化学工作站”；发明一种通过在动物体内留置的电极，与体外电化学综合测试仪相连接，动态监测镁或镁合金骨植入物电化学腐蚀行为指标的实验方法，以填补国内、国外生物可降解镁及镁合金骨植入物(或其他金属)体内耐腐蚀研究领域的一项空白。
本发明是这样实现的，根据本发明的一个方面，提供一种用于在体测定骨植入镁或镁合金电化学腐蚀的装置，包括内置的工作电极和铂电极、参比电极、盐桥、体液池、饱和氯化钾溶液、电化学综合测试仪和分析装置，工作电极前端为植入在动物股骨中的镁或镁合金，铂电极的铂块设置在距离镁或镁合金一定距离的股骨与肌肉之间，参比电极前端插入饱和氯化钾溶液，工作电极、铂电极和参比电极的后端均连接电化学综合测试仪，将动物血清注射到工作电极和铂电极所在的动物股骨位置，形成体液池，盐桥分为前段和后段，前段与针头相连，插入到体液池中并将体液抽至前段内，后段内为琼脂，且后段插入到饱和氯化钾溶液中，电化学分析测试仪检测电化学腐蚀指标，并将数据传输给分析装置。
根据本发明的另外一个方面，提供一种利用上述装置进行在体镁或镁合金电化学腐蚀行为测定的方法，包括如下步骤，并完全在无菌条件下操作：
(1)制备血清：动物耳动脉采血，静置后取上清液即为血清；
(2)配制饱和氯化钾溶液；
(3)动物麻醉与固定：耳缘静脉注射20％乌拉坦5ml/kg，右侧卧位固定；
(4)左后肢大腿部剪毛，皮肤消毒，纵向切口4cm，剥离股二头肌，暴露股骨，并使股二头肌后侧与股骨分离；
(5)内置电极：①工作电极：股骨干横向钻孔后，将镁或镁合金骨钉植入股骨。②铂电极：安放铂电极的位置距工作电极一定距离；
(6)缝合切口，包扎伤口；
(7)制备体液：每次测定指标之前，预先将血清注入工作电极和铂电极所在部位，使局部Mg2+进入血清，形成体液池，3-5分钟后将体液抽出至盐桥前段；
(8)盐桥：前段(内含体液)连接针头，后段(内含琼脂)插入饱和氯化钾溶液；
(9)参比电极插入饱和氯化钾溶液中；
(10)工作电极、铂电极、参比电极与电化学综合测试仪相连；
(11)电化学综合测试仪相连与分析装置相连；
(12)分析装置内安装电化学综合测试仪的系统软件；
(13)在不同时间节点测定阻抗谱、自腐蚀电化学腐蚀指标。
进一步地，所述铂电极的铂块设置在距离镁或镁合金1-1.5cm的股骨表面上。
进一步地，所述动物为家兔。
进一步地，所述电化学分析测试仪为美国Gamry电化学综合测试仪。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的装置结构使骨植入镁或镁合金材料电化学腐蚀行为的测定完全在动物体内环境中进行。采用本技术方案，用内置电极的方法，在不同时间节点测定镁或镁合金电化学指标，可以动态的体现镁或镁合金的腐蚀行为，不仅能够消除体外实验在模拟体液中进行、与复杂的人体内环境相差甚远、难以准确反映金属腐蚀行为的弊端，还能消除其他体内实验时采用电镜扫描的方法，所付出处死大量动物和消耗大量人工成本的弊端，同时消除CT扫描无法观察样本短时间内的细微变化、以及频繁扫描导致射线对动物及操作者的造成极大伤害和成本过高的缺陷。该装置突破了镁或镁合金无法在体内环境进行电化学腐蚀实验的瓶颈。其结构设计科学合理、简洁紧凑、操作简便、测量准确、经济环保。这种在体测定镁或镁合金耐腐蚀实验的装置，不仅为镁或镁合金耐腐蚀研究提供了一种切实可行的测定方法，使测定的结果更符合临床实际、更科学合理，也为未来骨植入生物可降解金属材料的耐腐蚀研究开辟了一条新路。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为AZ31镁合金在体内的自腐蚀电位曲线；
图3为AZ31镁合金在体内的Nyquist图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，提供一种用于在体测定骨植入镁或镁合金电化学腐蚀行为的装置，包括内置的工作电极1和铂电极2、参比电极3、盐桥4、体液池5、饱和氯化钾溶液6、电化学综合测试仪7和分析装置8，工作电极1前端为植入在动物股骨9中的镁或镁合金11，距离股骨头的距离为1cm，铂电极2的铂块21设置在距离镁或镁合金1-1.5cm的股骨9与肌肉10之间，参比电极3前端插入饱和氯化钾溶液6，工作电极1、铂电极2和参比电极3的后端均连接电化学综合测试仪7，盐桥4分为前段和后段，前段与针头41相连，且前段内为动物体液，后段内为琼脂，且后段插入到饱和氯化钾溶液6中，将动物血清注射到工作电极1和铂电极2所在的动物股骨位置，形成体液池5，3-5分钟后将体液抽至盐桥前段，电化学分析测试仪7检测电化学腐蚀指标，并将数据传输给分析装置8。
作为一种具体的实施方式，盐桥4的前段和后段通过三通管42连接，三通管42的左右两端分别与盐桥的前段和后段连接，三通管42的另一端设置塞堵，注射血清和抽取体液时打开塞堵，其他时间塞堵关闭。
利用上述装置对骨植入AZ31镁合金的电化学腐蚀行为进行测定，动物采用家兔，具体包括如下步骤，并完全在无菌条件下操作：
(1)制备血清：家兔耳动脉采血，静置后取上清即为血清；
(2)配制饱和氯化钾溶液；
(3)家兔麻醉与固定：耳缘静脉注射20％乌拉坦5ml/kg，右侧卧位固定；
(4)左后肢大腿部剪毛，皮肤消毒，纵向切口4cm，剥离股二头肌，暴露股骨，并使股二头肌后侧与股骨分离；
(5)内置电极：①工作电极：股骨干横向钻孔后，将镁或镁合金骨钉植入股骨。②铂电极：安放铂电极的位置距工作电极1～1.5cm；
(5)缝合切口，包扎伤口；
(6)制备体液：每次测定指标之前，预先将血清注入工作电极和铂电极所在部位，使局部Mg2+进入血清，形成体液池，3-5分钟后再将体液抽出至盐桥前段；
(7)盐桥：前段(内含体液)连接针头，后段(内含琼脂)插入饱和氯化钾溶液；
(8)参比电极插入饱和氯化钾溶液中；
(9)工作电极、铂电极、参比电极与Gamry电化学综合测试仪相连；
(10)Gamry电化学综合测试仪相连与分析装置相连；
(11)分析装置采用计算机，计算机内安装美国Gamry电化学综合测试仪的系统软件；
(12)在不同时间节点测定阻抗谱、自腐蚀电位电化学腐蚀指标。
图2为AZ31镁合金在体内的自腐蚀电位曲线，图3为AZ31镁合金在体内的Nyquist图。
AZ31镁合金的电化学腐蚀情况分析：
图2为AZ31镁合金在体内的自腐蚀电位曲线。自腐蚀电位随时间的变化曲线反映没有外加电压或者没有外加电流通过时研究电极上的电位变化情况。当金属电极电位高于自腐蚀电位时，腐蚀可自发进行。因此，自腐蚀电位表征了金属发生腐蚀的难易程度，自腐蚀电位越高，腐蚀越难发生。图为AZ31镁合金在体内32天期间的自腐蚀电位，可见在实验前期，自腐蚀电位急迅速正移，这是由于镁合金的化学性质很活泼，在体内放置生成的Mg O与Mg CO3薄膜表面疏松，很难阻止合金的进一步氧化，在体液中迅速形成Mg Cl2等腐蚀产物，所以镁合金的电位迅速正移。随着腐蚀时间的延长，旧的腐蚀产物积累到一定厚度开始脱落并伴随着新的腐蚀产物生成，自腐蚀电位趋于平稳，开始在很小的范围内波动。
图3为AZ31镁合金在体内的电化学阻抗谱随时间的变化。在体内32天之后取五个周期的电化学阻抗谱图。从图可以看出AZ31镁合金的Nyquist图都是以一个容抗弧的形式出现的，均表现出单容抗特性，说明此时电极体系反应受活化控制。电化学阻抗谱的半径越大，说明合金对电流的阻碍作用越大，耐蚀性越佳。从图3可以看出，AZ31镁合金的电化学阻抗谱的容抗弧半径随着腐蚀时间的延长都在逐渐减小，说明腐蚀时间越长合金的耐蚀性越差。

Claims (5)

1.用于在体测定骨植入镁或镁合金电化学腐蚀的装置，其特征在于，包括内置的工作电极和铂电极、参比电极、盐桥、体液池、饱和氯化钾溶液、电化学综合测试仪和分析装置，工作电极前端为植入在动物股骨中的镁或镁合金，铂电极的铂块设置在距离镁或镁合金一定距离的股骨与肌肉之间，参比电极前端插入饱和氯化钾溶液，工作电极、铂电极和参比电极的后端均连接电化学综合测试仪，将动物血清注射到工作电极和铂电极所在的动物股骨位置，形成体液池，盐桥分为前段和后段，前段与针头相连，插入到体液池中并将体液抽至前段内，后段内为琼脂，且后段插入到饱和氯化钾溶液中，电化学分析测试仪检测电化学腐蚀指标，并将数据传输给分析装置。
2.利用如权利要求1所述的用于在体测定骨植入镁或镁合金电化学腐蚀的装置进行测定的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备血清：动物耳动脉采血，静置后取上清液即为血清；
(2)配制饱和氯化钾溶液；
(3)动物麻醉与固定：耳缘静脉注射20％乌拉坦5ml/kg，右侧卧位固定；
(4)左后肢大腿部剪毛，皮肤消毒，纵向切口4cm，剥离股二头肌，暴露股骨，并使股二头肌后侧与股骨分离；
(5)内置电极：①工作电极：股骨干横向钻孔后，将镁或镁合金骨钉植入股骨。②铂电极：安放铂电极的位置距工作电极一定距离；
(6)缝合切口，包扎伤口；
(7)制备体液：每次测定指标之前，预先将血清注入工作电极和铂电极所在部位，使局部Mg2+进入血清，形成体液池，3-5分钟后将体液抽出至盐桥前段；
(8)盐桥：内含体液的前段连接针头，内含琼脂的后段插入饱和氯化钾溶液；
(9)参比电极插入饱和氯化钾溶液中；
(10)工作电极、铂电极、参比电极与电化学综合测试仪相连；
(11)电化学综合测试仪相连与分析装置相连；
(12)分析装置内安装电化学综合测试仪的系统软件；
(13)在不同时间节点测定阻抗谱、自腐蚀电位电化学腐蚀指标。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铂电极的铂块设置在距离镁或镁合金1-1.5cm的股骨和肌肉之间。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述动物为家兔。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电化学分析测试仪为美国Gamry电化学综合测试仪。
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