研究簡(jiǎn)介：鎂植入材料(Mg)是市場(chǎng)上骨科領(lǐng)域的一種應(yīng)用于骨折固定的材料，這種材料有一個(gè)復(fù)雜的降解過(guò)程。生物醫(yī)用鎂合金材料具有良好的生物相容性、力學(xué)相容性，和可降解性，因而受到了廣泛關(guān)注。眾所周知，鎂及其合金材料在水環(huán)境中會(huì)降解，產(chǎn)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?chē)腍2氣體的產(chǎn)生并沒(méi)有被準(zhǔn)確測(cè)量研究，也沒(méi)有相關(guān)研究報(bào)道評(píng)估形成的氫氣在鎂合金植入體周?chē)鞣N組織中的分布情況，并評(píng)估H2對(duì)骨折愈合相關(guān)細(xì)胞行為的影響。本論文應(yīng)用了一種基于電化學(xué)的氫氣傳感器（unisense微電極研究系統(tǒng)）監(jiān)測(cè)骨折固定鎂植入體的降解情況，并采用電化學(xué)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(jiān)測(cè)鎂合金體內(nèi)降解的工具，并能更系統(tǒng)地建立體外實(shí)驗(yàn)臨床評(píng)價(jià)不同H2濃度對(duì)成骨相關(guān)細(xì)胞類(lèi)型的影響。

兔子骨折骨頭的區(qū)域內(nèi)的H2的測(cè)量是用兩個(gè)(Unisense丹麥)氫電極進(jìn)行的，測(cè)量氫氣被氧化所產(chǎn)生的電流。其中的一個(gè)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(cè)量兔皮膚被穿透的區(qū)域部位，例如骨髓和皮下的一些組織進(jìn)行透皮測(cè)量按壓或只是輕輕地將針尖接觸兔的皮膚。另一個(gè)氫氣傳感器配備有一個(gè)扁平的玻璃毛細(xì)管尖端(尖端直徑50毫米)，并用于經(jīng)皮測(cè)量通過(guò)按壓或輕輕觸碰兔皮的表面區(qū)域的氫氣濃度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試到的H2含量大于飽和水的是根據(jù)校正曲線外推至較高濃度獲得的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：一種簡(jiǎn)單而有效的方法來(lái)被用來(lái)測(cè)量Mg植入體物周?chē)煌h(huán)境中H2的濃度，并用于了解H2對(duì)這些細(xì)胞生物學(xué)影響。測(cè)試了兔子尺骨斷裂模型體內(nèi)作為骨折固定裝置的植入鎂合金材料周?chē)腍2濃度的體內(nèi)原位測(cè)量。結(jié)合基于電化學(xué)H2微傳感器（unisense微電極研究系統(tǒng)）在兔子的三個(gè)解剖位置檢測(cè)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(duì)應(yīng)的骨髓中H2濃度(1460±320 uM)遠(yuǎn)高于皮下組織(550±210 uM)和皮膚表面(120±50 uM)。此外還發(fā)現(xiàn)在鎂合金植入材料周?chē)墓撬柚袦y(cè)量的H2濃度超過(guò)了在飽和H2水溶液(800 uM)中的濃度。這些結(jié)果都表明了Mg合金植入體降解過(guò)程中釋放出的H2是通過(guò)骨髓緩慢滲透到骨中，少部分遺留在骨頭中。這項(xiàng)研究首次確定了骨中H2的濃度。

圖1、每次實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間評(píng)估表和樣本量。研究開(kāi)始用的是9只兔子，其中8只被分配到接受截骨術(shù)和修復(fù)，1只經(jīng)過(guò)手術(shù)后的兔子（對(duì)照組）沒(méi)有接受截骨術(shù)或修復(fù)。手術(shù)后第三天，1只兔子死亡，H2監(jiān)測(cè)程序被移除了。

圖2、a)圖中的4顆Mg螺釘穿過(guò)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(biāo)出。通過(guò)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(yù)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(cè)量孔位于固定板右側(cè)。圖c表示的是將H2微傳感器組裝在微機(jī)械操作臂上，用于微電極穿刺入鎂合金植入體的兔尺骨區(qū)域的H2的測(cè)試。

圖3、Mg植入體材料應(yīng)用于麻醉兔內(nèi)骨折區(qū)域后對(duì)應(yīng)的H2的測(cè)定。(a)氫氣傳感器的電流信號(hào)與皮下測(cè)量骨髓中H2濃度的時(shí)間關(guān)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(jīng)皮給藥。(b)所有實(shí)驗(yàn)的7只兔子在植入鎂后1周后對(duì)骨折區(qū)域4個(gè)點(diǎn)測(cè)量的平均H2濃度。(c)植入Mg固定裝置2周后，7只家兔體內(nèi)不同位置處對(duì)應(yīng)的H2平均濃度。

圖4、鋼板和螺釘?shù)捏w積變化情況。

圖5、用鎂板和螺釘固定術(shù)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(jiàn)，但也可見(jiàn)老繭形成(c)。H2監(jiān)測(cè)孔位置處(h)現(xiàn)在充滿(mǎn)了重新生長(zhǎng)的骨頭。在板上（實(shí)心箭頭）和螺釘處（虛心箭頭）的器件出現(xiàn)明顯的退化。

總結(jié)：本論文主要是應(yīng)用了氫氣傳感器技術(shù)在兔子尺骨骨折模型中監(jiān)測(cè)骨折固定系統(tǒng)的Mg植入體降解情況。相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)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?chē)M織。在兔子皮膚上也檢測(cè)到H2，從而證明了H2傳感器能夠監(jiān)測(cè)薄層組織下Mg合金植入體材料的降解過(guò)程。這項(xiàng)研究首次采用了一種原位測(cè)試技術(shù)（unisense微電極研究系統(tǒng)）確定了動(dòng)物骨頭中H2的濃度，并將使體外實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谂c臨床相關(guān)的H2濃度下順利進(jìn)行，來(lái)探索H2暴露可能存在的生物學(xué)效應(yīng)。這也說(shuō)明H2傳感技術(shù)（unisense微電極研究系統(tǒng)）有望作為一種監(jiān)測(cè)鎂合金體內(nèi)降解的工具，并能更系統(tǒng)地建立體外實(shí)驗(yàn)臨床評(píng)價(jià)不同H2濃度對(duì)成骨相關(guān)細(xì)胞類(lèi)型的影響。