最近，克萊姆森大學Jeffrey N. Anker教授團隊描述了一種植入式傳感器，用于測量滑液 pH 值，用于使用標準護理平片檢查無創早期檢測和監測髖部感染。該傳感器由基于 pH 響應的聚丙烯酸水凝膠制成，在高 pH 值時膨脹，在低 pH 值時收縮。在水凝膠的兩端嵌入高密度鉭珠和鎢絲，通過平片監測水凝膠傳感器響應 pH 值的長度變化。

基于水凝膠的 pH 傳感器的有效酸解離常數(pKa)為5.6，pH 4 和 8 之間的靈敏度為3 mm/pH 單位。該傳感器在 pH 6.5 和 8 的生理相關 pH 范圍內顯示出線性響應和可逆性。7.5 在緩沖液和牛滑液溶液中，時間常數為30分鐘。傳感器連接到移植的假體髖關節上，通過測量鉭珠和不透射線的金屬絲之間的長度，從 X 射線圖像中確定pH值響應。因此，開發的傳感器將能夠使用平片對植入物髖部感染進行無創檢測和研究。相關論文以題為Synovial Fluid pH Sensor for Early Detection of Prosthetic Hip Infections發表在《Advanced Functional Materials》上。

主圖

全球每年有數百萬人接受髖關節置換手術。在這些手術中，髖關節被手術切除并替換為假肢組件(圖 1a)。該團隊報告了在手術過程中插入的基于 X 射線的傳感器的開發，該傳感器可用作潛在的 X 射線成像功能化學傳感器，用于無創檢測和研究植入物感染(圖 1b)。

圖1 a)裝有假肢的患者的 X 光片。b) 附有滑膜 pH 傳感器的假體髖關節示意圖。插圖顯示了 pH 傳感的機制。c) 帶有 pH 傳感器的髖關節假體照片。d) 帶有 pH 傳感器的髖關節假體的射線照片。

傳感器校準和可逆性

圖2 a) 聚丙烯酸水凝膠的 pH 響應 pH 值為2到11。b) 聚丙烯酸水凝膠在牛滑液中的可逆性在 pH 6.5 和 7.5 之間循環變化。線顯示擬合指數。

連接到假肢髖關節植入物的成像傳感器和觀察者間的可靠性

圖3 

a)牛滑液中 pH 7.5 和 6.5 的植入物傳感器。

b) 在 pH 6 和 8.5 之間的牛滑液中隨機系列 15 張 X 光片的五名觀察者研究。

總結

該團隊描述了第一個使用平片測量滑液 pH 值的植入式傳感器。該傳感器在牛滑液溶液中的 pH 6.5 和 7.5 范圍內在 30 分鐘內具有線性響應和可重復響應，pH 精度為 0.08 pH 單位。該方法快速、無創，并使用已作為術后護理標準的一部分的X射線。因此，開發的傳感器可用作潛在的 X 射線成像功能化學傳感器來檢測術后髖部感染。