In vivo quantification of hydrogen gas concentration in bone marrow surrounding magnesium fracture fixation hardware using an electrochemical hydrogen gas sensor

使用電化學氫氣傳感器量化鎂骨折固定裝置周圍骨髓中氫氣濃度的體內研究

來源：Acta Biomaterialia, Volume 73, 2018, Pages 559-566

《生物材料學報》，第73卷，2018年，頁碼559-566

 

摘要：

這篇論文研究了鎂基植入物在骨科應用中的降解過程，重點關注氫氣（H2）的釋放。鎂植入物降解時會產生H2，但H2對相關細胞類型的影響尚未研究，且體內H2濃度未被量化。研究使用電化學H2傳感器，在兔尺骨骨折模型中測量鎂固定裝置周圍不同微環境中的H2濃度。結果顯示，植入后1周，骨髓中的H2濃度最高（1460±320 μM），超過飽和水溶液水平（約800 μM），而皮下組織和皮膚表面的濃度較低。這表明H2在骨髓中積聚，因為骨組織滲透性較低。研究為理解H2的生物學效應提供了基礎，并展示了H2傳感器在監測鎂合金降解中的潛力。

 

研究目的：

研究目的是量化鎂骨折固定裝置在體內降解時周圍組織中的H2濃度，特別是比較骨髓、皮下組織和皮膚表面的差異。這有助于建立H2濃度的臨床相關水平，以便后續研究H2對骨再生相關細胞（如成骨細胞）的影響，并開發非侵入性監測鎂植入物降解的方法。

 

研究思路：

研究采用兔尺骨骨折模型，植入鎂固定板和螺釘。通過手術在骨上鉆孔，創建H2監測通道。使用丹麥Unisense電化學H2傳感器（包括針型和玻璃毛細管型）在植入后1周和2周測量H2濃度，位置包括骨髓內部、皮下組織、以及皮膚表面（通過按壓和輕觸兩種方式）。同時，使用微CT分析植入物體積變化，以評估降解程度。研究還設置對照組（無植入物），確保測量準確性。數據通過統計分析和校準曲線處理，以量化H2分布和降解動力學。

 

測量的數據及研究意義：

1. H2濃度測量：使用Unisense傳感器測量不同位置的H2濃度。植入后1周，骨髓中H2濃度為1460±320 μM，皮下組織為550±210 μM，皮膚表面按壓時為120±50 μM，輕觸時為12±5 μM；植入后2周，骨髓中濃度降至1058±158 μM，皮下組織降至187±96 μM，皮膚表面按壓時為94±48 μM，輕觸時為5±3 μM。這些數據來自圖3和文本描述。研究意義在于首次量化了體內骨髓中的H2濃度，表明H2在骨髓中積聚 due to 骨組織低滲透性，這解釋了鎂植入物降解時氣體滯留的現象，并為理解H2對細胞行為的潛在影響（如骨再生）提供了關鍵濃度參考。

 

2. 植入物體積變化：通過微CT分析，板和螺釘的體積減少。植入后4周，板體積減少0.7%，螺釘體積減少11.3%；植入后8周，板體積減少5.6%，螺釘體積減少19.6%。這些數據來自表1。研究意義在于驗證H2濃度測量與降解速率的相關性，螺釘降解更快對應更高H2濃度，顯示H2傳感器能有效監測降解過程，并指導植入物設計優化。

 

3. 對照組數據：無植入物時，骨髓中H2濃度為6±3 μM，皮下組織為5±2 μM，皮膚表面為2±1 μM（按壓）和未檢測到（輕觸）。這些數據來自文本。研究意義在于排除背景干擾，確認H2信號源自鎂降解，增強測量可靠性。

 

結論：

研究得出結論，鎂植入物在骨髓中降解產生高濃度H2，且濃度超過飽和水溶液，表明H2因骨組織低滲透性而積聚。降解速率初期較高，隨后減緩，與腐蝕層形成相關。H2傳感器能有效監測降解，尤其玻璃毛細管型更適合表面測量。這些發現為鎂植入物的生物學效應研究提供了基礎，并支持H2傳感作為臨床監測工具。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電化學電極測量的H2數據具有重要研究意義。該電極提供高靈敏度和快速響應（約30秒），能實時量化體內H2濃度，首次揭示骨髓中H2濃度極高（超過飽和水溶液），表明鎂降解產物在骨微環境中積聚，這可能影響骨愈合細胞（如通過氧化應激或信號通路）。數據還顯示H2分布梯度（骨髓 > 皮下 > 皮膚），證實組織滲透性差異，這有助于解釋臨床中氣體口袋的形成。此外，電極支持非侵入性監測（如通過皮膚表面測量），為長期監測鎂植入物降解提供了可行方法，避免頻繁侵入操作。相比傳統技術（如微CT），H2傳感更便捷、低成本，且能捕捉動態變化，為優化植入物材料和理解H2生物學角色（如是否促進或抑制骨再生）奠定了基礎。