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氢气传感器在对使用医用镁合金材料的动物骨头组织内的氢气浓度的在线监测

      生物医用材料因其在现代医学领域的许多重要应用而引起了越来越多的学者的兴趣。其中,镁合金由于具有优异的生物相容性和力学性能而在众多材料中脱颖而出,成为潜力非凡的可降解金属骨移植材料。但是其在生物体内降解速率过快,严重限制了其实际应用。镁合金具有诸多显著的优点:①镁合金生物相容性良好。镁是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素,体内过量的镁可通过尿液排出,不会发生中毒反应。②镁合金材料有着优异的力学相容性。同时其合金有高的比强度和比刚度,密度接近自然骨。③镁合金具有完全可降解的特性。其标准电极电位较低,在体内易于降解。④镁合金成本低。由于其资源丰富,易获取,价格低廉。

      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,包括氢气(H2)的演化。而H2暴露的影响有关细胞类型的研究尚未见报道以及Mg周围的氢气浓度设备还没有被量化,难以提出相关的作用机制。一种简单而有效的方法(unisense微电极研究系统)来被用来测量Mg植入物周围不同微环境中H2的浓度,是了解H2对这些细胞生物学影响的第一步。

      研究人员测试了兔子体内植入镁材料作为骨折固定装置周围的H2浓度的体内测量,unisenseH2微传感器在三个解剖位置检测到H2浓度的增加,其中该电极对氢气响应时间约为30秒。微电极传感器显示植入镁植入材料后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,在镁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。 该方法的建立首次证明了H2的测量由镁及其合金的降解所产生的皮下植入在体内使用电化学H2传感器是一种简单易行的方法有效的无创监测H2浓度的方法在小动物模型中。氢气的浓度在植入合金上方的皮肤表面测量发现与植入物的重量是成正比。Mg合金材料降解速度越快,检测到的H2浓度越高。

图1、unisense微电极系统应用于兔子骨折区域的氢气浓度测试

     研究人员很好的应用了unisense氢气微电极传感器,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(图1所示)。研究发现镁植入材料在降解的过程中原位生成的H2被困在骨髓中,骨的渗透性低于周围组织。所有应用unisense氢气微电极在兔皮肤上也检测到H2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。H2传感技术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。这些结果表明,从Mg植入体降解过程中释放出的H2通过骨髓缓慢渗透到骨中,至少部分遗留在骨头中。这项研究首次确认了骨中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。

      该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传感测试技术(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。


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