基于X射线激发发光化学成像技术的活体兔骨科植入物表面pH无创监测研究

这篇研究开创性地开发了X射线激发发光化学成像（XELCI）技术，通过钆氧硫铕（Gd22O2S:Eu）闪烁体与聚乙二醇（PEG）水凝胶pH传感器的协同作用，实现了活体兔骨科植入物表面微环境pH的无创动态监测。该技术结合X射线高空间分辨率与染料化学敏感性，在1cm组织穿透深度下可检测pH 3-8范围变化，为植入物感染早期诊断和抗生素耐受性生物膜研究提供了新工具。

　　

传感器设计与原理

研究团队设计了一种双层薄膜传感器系统：底层为钆氧硫铕（Gd₂O₂S:Eu）微磷光体嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）的闪烁层，在X射线激发下产生620nm和700nm双峰发射；表层为含溴甲酚绿（BCG）pH指示剂的PEG水凝胶，其吸收光谱随pH变化（pH3呈黄色单阴离子态，pH8转为蓝色双阴离子态）。通过测量620nm/700nm发光强度比，建立pH校准曲线，在pH5-6区间具有最高灵敏度。

机械性能与生物相容性验证

传感器经受住250mL/s高流速冲洗测试（远超临床5-10psi冲洗压力），满足术中灌洗需求。长期植入实验显示，PEG水凝胶传感器在80天周期内无染料渗漏，组织切片显示植入部位有新骨形成且无炎症反应。钆元素剂量（18mg/cm²）低于MRI造影剂安全阈值，X射线单次扫描皮肤剂量0.5Gy（<2Gy辐射灼伤阈值）。

活体成像突破

在兔股骨植入模型中，XELCI系统通过多毛细管聚焦X射线束（50kVp钨靶）实现0.5mm空间分辨率。感染组接种500-5000CFU金黄色葡萄球菌（S. aureus）后，虽出现脓肿（细菌载量达1.8×10⁴CFU/g组织），但传感器未检测到预期酸中毒（pH>6）。值得注意的是，对比实验发现乙烯基-PEG涂层存在染料渗漏现象，而纯PEG水凝胶在10天内保持稳定。

生物膜研究启示

体外24小时培养显示，GFP标记的S. aureus在传感器表面形成54%覆盖度、14.7μm厚生物膜。该发现支持了生物膜内可能存在pH异质性（文献报道pH5.6-7.0）的假说，但活体实验未观测到显著pH梯度，可能与传感器在碱性区灵敏度不足有关。

技术优化方向

研究建议：①改用pH6.0-7.4敏感染料扩展生理范围检测 ②降低染料浓度提高信噪比 ③采用大面阵光学收集系统。该技术未来可拓展至药物释放监测（如多柔比星）或血栓检测（Cy5.5-多肽纳米探针）等领域，为植入物相关感染的精准诊疗提供新范式。