研究简介：镁植入材料(Mg)是市场上骨科领域的一种应用于骨折固定的材料，这种材料有一个复杂的降解过程。生物医用镁合金材料具有良好的生物相容性、力学相容性，和可降解性，因而受到了广泛关注。众所周知，镁及其合金材料在水环境中会降解，产生镁(Mg2+)和金属合金化元素离子、氢氧根(OH-)离子以及氢(H2)气。然而基于骨骼周围的H2气体的产生并没有被准确测量研究，也没有相关研究报道评估形成的氢气在镁合金植入体周围各种组织中的分布情况，并评估H2对骨折愈合相关细胞行为的影响。本论文应用了一种基于电化学的氢气传感器（unisense微电极研究系统）监测骨折固定镁植入体的降解情况，并采用电化学方法建立了兔子尺骨断裂模型氢气传感器，有望作为一种监测镁合金体内降解的工具，并能更系统地建立体外实验临床评价不同H2浓度对成骨相关细胞类型的影响。


兔子骨折骨头的区域内的H2的测量是用两个(Unisense丹麦)氢电极进行的，测量氢气被氧化所产生的电流。其中的一个氢气传感器配备的是不锈钢微电极（针尖直径为1.6 mm，H2-NP)，用于测量兔皮肤被穿透的区域部位，例如骨髓和皮下的一些组织进行透皮测量按压或只是轻轻地将针尖接触兔的皮肤。另一个氢气传感器配备有一个扁平的玻璃毛细管尖端(尖端直径50毫米)，并用于经皮测量通过按压或轻轻触碰兔皮的表面区域的氢气浓度测试。实验中测试到的H2含量大于饱和水的是根据校正曲线外推至较高浓度获得的。


实验结果：一种简单而有效的方法来被用来测量Mg植入体物周围不同微环境中H2的浓度，并用于了解H2对这些细胞生物学影响。测试了兔子尺骨断裂模型体内作为骨折固定装置的植入镁合金材料周围的H2浓度的体内原位测量。结合基于电化学H2微传感器（unisense微电极研究系统）在兔子的三个解剖位置检测到H2浓度的增加，氢气传感器（unisense氢气微电极）显示了兔子腿部植入镁合金材料后1周，对应的骨髓中H2浓度(1460±320 uM)远高于皮下组织(550±210 uM)和皮肤表面(120±50 uM)。此外还发现在镁合金植入材料周围的骨髓中测量的H2浓度超过了在饱和H2水溶液(800 uM)中的浓度。这些结果都表明了Mg合金植入体降解过程中释放出的H2是通过骨髓缓慢渗透到骨中，少部分遗留在骨头中。这项研究首次确定了骨中H2的浓度。

图1、每次实验所需的时间评估表和样本量。研究开始用的是9只兔子，其中8只被分配到接受截骨术和修复，1只经过手术后的兔子（对照组）没有接受截骨术或修复。手术后第三天，1只兔子死亡，H2监测程序被移除了。

图2、a)图中的4颗Mg螺钉穿过骨髓，将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)用垂直虚线标出。通过将微电极的探针尖端插入组织中，并插入右图所示的骨的预钻孔中。b)用于骨折固定的Mg植入材料的装置照片，H2传感测量孔位于固定板右侧。图c表示的是将H2微传感器组装在微机械操作臂上，用于微电极穿刺入镁合金植入体的兔尺骨区域的H2的测试。

图3、Mg植入体材料应用于麻醉兔内骨折区域后对应的H2的测定。(a)氢气传感器的电流信号与皮下测量骨髓中H2浓度的时间关系，镁植入1周后，取一只具有代表性的家兔，由左至右按压皮肤，轻轻触摸皮肤，经皮给药。(b)所有实验的7只兔子在植入镁后1周后对骨折区域4个点测量的平均H2浓度。(c)植入Mg固定装置2周后，7只家兔体内不同位置处对应的H2平均浓度。


图4、钢板和螺钉的体积变化情况。

图5、用镁板和螺钉固定术后4周后切除的尺骨具有代表性的微ct切面，截骨部位(o)保留可见，但也可见老茧形成(c)。H2监测孔位置处(h)现在充满了重新生长的骨头。在板上（实心箭头）和螺钉处（虚心箭头）的器件出现明显的退化。


总结：本论文主要是应用了氢气传感器技术在兔子尺骨骨折模型中监测骨折固定系统的Mg植入体降解情况。相关的测试数据表明骨髓中的H2浓度比H2饱和水溶液高82%。这表明原位生成的H2被困在骨髓中，而骨的渗透性低于周围组织。在兔子皮肤上也检测到H2，从而证明了H2传感器能够监测薄层组织下Mg合金植入体材料的降解过程。这项研究首次采用了一种原位测试技术（unisense微电极研究系统）确定了动物骨头中H2的浓度，并将使体外实验能够在与临床相关的H2浓度下顺利进行，来探索H2暴露可能存在的生物学效应。这也说明H2传感技术（unisense微电极研究系统）有望作为一种监测镁合金体内降解的工具，并能更系统地建立体外实验临床评价不同H2浓度对成骨相关细胞类型的影响。