研究簡介：鎂植入材料(Mg)是市場上骨科領域的一種應用于骨折固定的材料，這種材料有一個復雜的降解過程。生物醫用鎂合金材料具有良好的生物相容性、力學相容性，和可降解性，因而受到了廣泛關注。眾所周知，鎂及其合金材料在水環境中會降解，產生鎂(Mg2+)和金屬合金化元素離子、氫氧根(OH-)離子以及氫(H2)氣。然而基于骨骼周圍的H2氣體的產生并沒有被準確測量研究，也沒有相關研究報道評估形成的氫氣在鎂合金植入體周圍各種組織中的分布情況，并評估H2對骨折愈合相關細胞行為的影響。本論文應用了一種基于電化學的氫氣傳感器（unisense微電極研究系統）監測骨折固定鎂植入體的降解情況，并采用電化學方法建立了兔子尺骨斷裂模型氫氣傳感器，有望作為一種監測鎂合金體內降解的工具，并能更系統地建立體外實驗臨床評價不同H2濃度對成骨相關細胞類型的影響。


兔子骨折骨頭的區域內的H2的測量是用兩個(Unisense丹麥)氫電極進行的，測量氫氣被氧化所產生的電流。其中的一個氫氣傳感器配備的是不銹鋼微電極（針尖直徑為1.6 mm，H2-NP)，用于測量兔皮膚被穿透的區域部位，例如骨髓和皮下的一些組織進行透皮測量按壓或只是輕輕地將針尖接觸兔的皮膚。另一個氫氣傳感器配備有一個扁平的玻璃毛細管尖端(尖端直徑50毫米)，并用于經皮測量通過按壓或輕輕觸碰兔皮的表面區域的氫氣濃度測試。實驗中測試到的H2含量大于飽和水的是根據校正曲線外推至較高濃度獲得的。


實驗結果：一種簡單而有效的方法來被用來測量Mg植入體物周圍不同微環境中H2的濃度，并用于了解H2對這些細胞生物學影響。測試了兔子尺骨斷裂模型體內作為骨折固定裝置的植入鎂合金材料周圍的H2濃度的體內原位測量。結合基于電化學H2微傳感器（unisense微電極研究系統）在兔子的三個解剖位置檢測到H2濃度的增加，氫氣傳感器（unisense氫氣微電極）顯示了兔子腿部植入鎂合金材料后1周，對應的骨髓中H2濃度(1460±320 uM)遠高于皮下組織(550±210 uM)和皮膚表面(120±50 uM)。此外還發現在鎂合金植入材料周圍的骨髓中測量的H2濃度超過了在飽和H2水溶液(800 uM)中的濃度。這些結果都表明了Mg合金植入體降解過程中釋放出的H2是通過骨髓緩慢滲透到骨中，少部分遺留在骨頭中。這項研究首次確定了骨中H2的濃度。

圖1、每次實驗所需的時間評估表和樣本量。研究開始用的是9只兔子，其中8只被分配到接受截骨術和修復，1只經過手術后的兔子（對照組）沒有接受截骨術或修復。手術后第三天，1只兔子死亡，H2監測程序被移除了。

圖2、a)圖中的4顆Mg螺釘穿過骨髓，將Mg植入材料固定板固定在骨折的尺骨上。尺骨截骨部位(骨折)用垂直虛線標出。通過將微電極的探針尖端插入組織中，并插入右圖所示的骨的預鉆孔中。b)用于骨折固定的Mg植入材料的裝置照片，H2傳感測量孔位于固定板右側。圖c表示的是將H2微傳感器組裝在微機械操作臂上，用于微電極穿刺入鎂合金植入體的兔尺骨區域的H2的測試。

圖3、Mg植入體材料應用于麻醉兔內骨折區域后對應的H2的測定。(a)氫氣傳感器的電流信號與皮下測量骨髓中H2濃度的時間關系，鎂植入1周后，取一只具有代表性的家兔，由左至右按壓皮膚，輕輕觸摸皮膚，經皮給藥。(b)所有實驗的7只兔子在植入鎂后1周后對骨折區域4個點測量的平均H2濃度。(c)植入Mg固定裝置2周后，7只家兔體內不同位置處對應的H2平均濃度。


圖4、鋼板和螺釘的體積變化情況。

圖5、用鎂板和螺釘固定術后4周后切除的尺骨具有代表性的微ct切面，截骨部位(o)保留可見，但也可見老繭形成(c)。H2監測孔位置處(h)現在充滿了重新生長的骨頭。在板上（實心箭頭）和螺釘處（虛心箭頭）的器件出現明顯的退化。


總結：本論文主要是應用了氫氣傳感器技術在兔子尺骨骨折模型中監測骨折固定系統的Mg植入體降解情況。相關的測試數據表明骨髓中的H2濃度比H2飽和水溶液高82%。這表明原位生成的H2被困在骨髓中，而骨的滲透性低于周圍組織。在兔子皮膚上也檢測到H2，從而證明了H2傳感器能夠監測薄層組織下Mg合金植入體材料的降解過程。這項研究首次采用了一種原位測試技術（unisense微電極研究系統）確定了動物骨頭中H2的濃度，并將使體外實驗能夠在與臨床相關的H2濃度下順利進行，來探索H2暴露可能存在的生物學效應。這也說明H2傳感技術（unisense微電極研究系統）有望作為一種監測鎂合金體內降解的工具，并能更系統地建立體外實驗臨床評價不同H2濃度對成骨相關細胞類型的影響。