综述：用于骨再生的氢气释放生物材料：机制、设计策略与应用

《Bioactive Materials》：Hydrogen releasing biomaterials for bone regeneration: mechanisms, design strategies, and applications

　　

复杂骨缺损因其多方面的病理微环境而仍然是主要的临床挑战。近年来，氢气（H₂）疗法凭借其氧化还原调节及其他微环境调控效应，已成为一种快速发展的骨修复策略。然而，H₂的快速扩散和短暂保留时间限制了其直接临床应用。氢气释放生物材料的发展部分解决了这些局限性，并提供了一种将气体治疗与骨组织工程相结合的协同方法。尽管近年来关于用于骨再生的氢气释放系统的研究显著增加，但该领域仍缺乏专门的综述。为弥补这一空白，本综述总结了骨缺损微环境的病理特征以及H₂与骨修复相关的多靶点生物学机制。随后讨论了氢气释放生物材料的设计目标、优化策略和分类。重点介绍了其在骨再生应用中的最新进展，并强调了材料设计和功能性能。还引入了跨学科见解，以启发用于骨再生的下一代氢气释放系统。最后，批判性讨论了此类系统的局限性和临床转化挑战，并提出了未来研究方向。氢气释放生物材料整合了气体治疗、材料工程和微环境调控，代表了多机制协同骨再生的新兴前沿。

1. 引言
骨再生在感染、糖尿病、衰老和骨质疏松等病理条件下常受损，构成骨科和口腔颌面重建的重大挑战。这些病理状态并非由单一过程驱动，而是源于氧化应激失衡、免疫炎症级联过度激活、血管化不足以及多种成骨和破骨信号网络失调共同构成的交互性病理微环境。传统移植材料如自体骨和异体骨虽为临床常用选择，但通常不足以有效调节这类多因素病理微环境，限制其恢复局部组织稳态和实现可预测功能性骨再生的能力。近年来，多种生物材料治疗策略被用于调节受损骨再生相关微环境，但传统抗氧化递送策略存在非选择性氧化还原调控的缺陷。相比之下，H₂被提出可优先衰减高活性氧化物种（特别是羟基自由基（·OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO^?）），而对生理性氧化还原信号影响相对有限。除抗氧化外，H₂还具有免疫调节、抗凋亡、抗破骨细胞生成和促血管生成等多种调控功能。早期H₂治疗骨相关疾病主要采用全身递送方式，但受限于快速扩散、低溶解度、局部保留时间短和缺损部位蓄积不足。为克服这些限制，近年研究日益聚焦于基于生物材料平台的局部持续H₂递送。根据释放机制，用于骨再生的氢气释放生物材料可大致分为化学响应性和物理响应性系统。本综述首先阐述骨缺损动态病理微环境的关键特征，阐明H₂干预广泛治疗效应的生物学基础，继而概述设计目标和策略，并系统分类，重点总结近五年进展，最后讨论当前局限与未来方向。
2. 骨缺损的病理微环境
骨缺损修复是一个高度动态的过程，涉及氧化还原稳态调节、免疫细胞浸润和表型转换、破骨细胞-成骨细胞偶联、血管生成、干细胞募集和分化以及基质降解和重塑等多个相互关联的生物学阶段。正常骨愈合按炎症期、修复期和重塑期依次推进。任何时间错位或强度失调，如过度炎症或持续高活性氧水平，均可导致骨愈合延迟、不完全连接或不连接。氧化应激在骨缺损病理微环境中发挥核心作用：短暂可控的ROS作为信号分子促进血管生成和成骨信号，而过量ROS特别是强氧化剂可损伤线粒体、诱导DNA和脂质过氧化、导致蛋白质变性，进而触发细胞凋亡或衰老，抑制间充质干细胞（MSCs）成骨分化并增强破骨细胞活性。免疫微环境失衡是另一关键因素：慢性炎症或促炎向修复表型转换失败导致促炎细胞因子持续分泌，维持M1样巨噬细胞，抑制MSC成骨，并通过RANKL通路驱动破骨细胞生成。异常破骨细胞分化同样重要，过量ROS和促炎因子上调RANKL/OPG比值，持续激活RANK–NF-κB–NFATc1信号轴，导致骨吸收主导的病理状态。血管生成和局部血液灌注对骨再生至关重要，新形成的血管不仅供氧供营养，还通过内皮细胞分泌的VEGF和血管生成素等信号因子直接调节MSC增殖和成骨分化。在细胞命运调控层面，线粒体功能、内质网稳态及NF-κB、MAPK、PI3K/AKT、Wnt/β-catenin和Notch等信号通路共同决定MSC和成骨祖细胞的存活与分化轨迹。总之，骨缺损病理微环境是由氧化还原失衡、慢性炎症、异常破骨细胞分化、血管重塑障碍和凋亡信号异常激活等多因素相互作用形成的复杂网络。
3. H₂的生物学机制
3.1 抗氧化作用
自2007年Ohsawa等人首次提出H₂的选择性抗氧化能力以来，大量研究证实H₂可优先衰减高细胞毒性ROS（如·OH和ONOO^?）相关的氧化损伤，而对参与信号转导的生理性ROS（如H₂O₂和超氧阴离子（O₂^?））影响相对有限。与广谱抗氧化剂不同，H₂在减轻氧化损伤的同时可保留氧化还原依赖性生理信号通路。其分子机制尚不完全清楚，但证据表明H₂可激活Keap1-Nrf2通路并上调血红素加氧酶-1（HO-1）和超氧化物歧化酶等抗氧化酶。
3.2 抗炎作用
H₂通过多细胞网络介导抗炎效应：抑制ROS依赖性NF-κB和NLRP3炎症小体激活，降低促炎细胞因子（IL-1β、TNF-α、IL-6），促进巨噬细胞从M1向修复性M2表型极化。在T细胞中，H₂增强线粒体氧化磷酸化，驱动受控的线粒体ROS增加，抑制IL-26和IFN-γ产生而不显著影响Treg功能。H₂还通过下调Drp1、上调MFN1/2或OPA1来调节线粒体动力学，稳定线粒体网络，限制mtROS过量产生，从而减少炎症相关凋亡。
3.3 抗破骨细胞生成作用
在骨代谢中，H₂主要通过调节RANKL信号级联抑制破骨细胞分化。机制上，H₂清除细胞内ROS以抑制RANKL诱导的破骨细胞生成，减弱NF-κB、MAPK和AKT通路激活，下调关键转录因子NFATc1。骨髓单核细胞RNA测序发现差异表达基因参与破骨细胞分化级联，且该效应呈浓度依赖性。体内研究在骨质疏松斑马鱼模型中证实H₂选择性抑制病理性破骨细胞激活和骨吸收而不显著损伤成骨细胞功能。
3.4 促血管生成作用
研究表明H₂稳定并上调HIF-1α，激活其下游关键促血管生成因子VEGF的表达，增强内皮细胞迁移、增殖和管形成。H₂还通过激活PI3K/AKT/eNOS通路恢复内皮祖细胞的增殖、迁移和管形成能力。骨修复依赖新生血管化，H₂的促血管生成效应有助于改善急性期血流并提供长期良好的骨代谢微环境。
3.5 抗凋亡作用
H₂通过多条通路发挥抗凋亡作用：优先清除高毒性ROS（如·OH和ONOO^?），维持线粒体膜电位，阻止细胞色素c释放，阻断线粒体凋亡通路起始。H₂还调节Bcl-2和Bax等关键凋亡因子表达，抑制Caspase-3、Caspase-8和Caspase-9级联，并激活PI3K/AKT等存活信号通路。此外，H₂可减轻内质网应激并抑制其介导的CHOP依赖性凋亡。
4. 氢气释放生物材料的设计目标、策略和分类
4.1 设计目标
理想的氢气释放生物材料设计目标包括：（1）设计与骨愈合微环境演变相匹配的H₂释放动力学，如早期炎症期相对持续释放以缓解氧化应激和炎症，随后随修复进程逐渐衰减；（2）构建多模式协同功能，将H₂调控与离子释放、材料力学支持和生物活性信号整合，实现“H₂-离子-力学-生物信号”四维协同；（3）优化材料降解行为和界面相容性，使降解速率与周围组织愈合过程匹配，确保副产物安全清除，并通过表面工程技术增强界面稳定性和生物相容性；（4）开发温和可控的H₂供给策略，如纳米封装、催化剂改性和复合支架，实现生理条件下安全可控的H₂释放。
4.2 设计策略
4.2.1 化学响应性系统
化学响应性氢气释放系统主要利用低标准电极电位的金属或类金属的固有氧化还原活性，在水性介质中自发水解或腐蚀反应还原水分子生成H₂。由核心、壳层和支架组成的分级结构是代表性策略。核心设计通过粒径控制、缺陷工程、纳米限域和催化剂掺入调节反应活化能和速率。例如，平均直径约20 μm的氢化镁（MgH₂）微球优化了几何表面；层状硅化镁（Mg₂Si）通过调节纳米片厚度实现7-28天可控释放窗口；缺陷工程如氧空位引入可增强水分子吸附，实现氨硼烷（AB）在混合相钛酸盐纳米晶体（HyPT）内稳定限域并持续释放H₂超过11天；单原子催化材料在低负载下提供高密度活性位点，加速AB水解脱氢。壳层设计作为反应调节屏障，决定核心材料与体液界面反应速率、H₂扩散、副产物隔离和生物相容性。可生物降解聚合物涂层调节亲水性、降解速率和空间结构；基于pH、ROS和特定酶表达设计的刺激响应基团实现受控释放；壳层还可作为生物活性分子载体，如BMP-2/VEGF双修饰的聚多巴胺壳层增强成骨和血管生成，PLGA/钙（Ca）磷酸盐双层壳层负载紫杉醇促进骨肉瘤切除相关骨缺损再生。支架设计作为连接核-壳结构与组织再生的关键平台，提供力学支持并调节细胞行为、血管化和整体重建质量。支架结构通过溶液传输和局部微环境演变控制降解行为与H₂释放动力学的耦合。高度互连和多级多孔结构促进气体扩散和质量传输，减少气体蓄积，保持孔互连性并减轻力学失稳。例如，3D打印PLGA/β-TCP支架（孔径约600 μm）和SF/MgO复合支架通过调节组分实现可调压缩模量和降解速率。
4.2.2 物理响应性系统
这类材料在光、超声或磁场等外部物理刺激下产生H₂。设计重点转向优化能量转换效率和刺激响应控制。增强能量转换设计构建异质结或肖特基结以促进光生或声生电子-空穴对分离，如Pt-Bi₂S₃肖特基异质结构通过费米能级驱动电子转移形成肖特基势垒，抑制电子回流，实现持续声催化H₂析出。上转换核壳纳米颗粒（如UCNP@g-C₃N₄）将深穿透近红外（NIR）光转换为可见光。辅助催化剂（Pt、Pd）或缺陷工程进一步优化电荷利用和活性位点。非催化磁响应系统依靠交变磁场下的涡流热效应加速Mg-水反应。利用病理微环境方面，肿瘤中升高的谷胱甘肽（GSH）作为空穴清除剂，消耗光生空穴，增加H₂生成可用电子；糖尿病伤口的光催化系统利用过量葡萄糖作为还原剂清除空穴并促进H₂产生，同时消耗葡萄糖缓解高血糖相关病理。
4.3 分类
氢气释放生物材料分为化学响应性和物理响应性两类。化学响应性依赖病理微环境内源性化学信号实现被动H₂释放，反应途径明确但释放动力学易受体内微环境波动影响。物理响应性通过外源性物理刺激主动触发H₂释放，具有远程可控性和深组织穿透性，但依赖外部刺激且增加材料和操作复杂度。
4.3.1 化学响应性氢气释放生物材料
包括镁基材料：Mg和MgH₂与水反应生成H₂（Mg+2H₂O → Mg(OH)₂+H₂；MgH₂+H₂O → Mg²⁺+H₂+OH^?），释放的Mg²⁺和OH^?协同调节局部pH和免疫微环境。镁硼化物（MgB₂）和Mg₂Si也可通过水解或酸催化高效释放H₂。钙基材料主要为氢化钙（CaH₂），水解生成Ca(OH)₂和H₂，同时产生Ca²⁺并升高局部pH。铁基材料依赖酸性条件产H₂（Fe+2H⁺ → Fe²⁺+H₂），适用于微酸性病理微环境。硅基材料利用富含Si-H键的纳米结构（如氢化硅纳米片、多孔硅）实现水解产H₂。氨硼烷（AB）基材料具有极高H₂容量和酸响应释放行为，常通过介孔结构封装或核壳纳米载体控制释放动力学。
4.3.2 物理响应性氢气释放生物材料
光响应材料包括光热响应型（如钯氢化物（PdH）纳米材料，NIR照射下光热效应触发Pd-H键解离释放H₂）和光催化型（如g-C₃N₄、光活性MOF和TiO₂基材料，通过光生电子-空穴对驱动水分解产H₂）。超声响应材料包括物理封装型（如H₂与C₃F₈共封装于磷脂微泡中，超声振荡破裂实现局部释放）和催化型（如Pt-Bi₂S₃肖特基异质结构在超声下催化水产H₂）。电场响应、磁热响应和压电响应材料（如锰掺杂Ni₂S₃纳米电极、磁热响应Mg植入体、GDYO@Pt和四方相钛酸钡纳米颗粒）也在不断扩展物理响应系统范畴。
5. 氢气释放生物材料在骨再生中的应用现状
早期H₂治疗采用H₂吸入、口服H₂水或注射H₂富液等全身给药方式，存在剂量不精确、缺乏靶向性和时空调控差等局限。近年来发展出能实现骨缺损微环境内持续可控H₂释放的生物材料。文献检索纳入近五年研究，覆盖临界尺寸骨缺损、感染相关骨缺损、骨质疏松相关骨缺损、糖尿病相关骨缺损和骨关节炎（OA）。
5.1 化学响应性氢气释放生物材料在骨再生中的应用
5.1.1 镁基氢气释放生物材料
镁基材料凭借良好生物相容性、可控降解和固有成骨活性受到广泛关注。研究已从早期单组分镁颗粒系统发展为多级多功能复合结构，H₂释放源包括金属Mg、MgH₂和Mg₂Si。Zhou等人制备了Mg@PEG-PLGA水凝胶，通过非对称PEG涂层实现阶段性H₂释放：初期爆发释放清除ROS，随后持续缓慢释放达7天。在OVX大鼠股骨缺损模型中，8周时骨体积分数（BV/TV）较对照组提高两倍以上。Kong等人将Mg微球分散于甲基丙烯酰化聚乙烯醇（PVAMA）和苯硼酸修饰季铵化壳聚糖（QCSPBA）混合溶液中，通过动态硼酸酯键交联和紫外线固化制备双网络水凝胶（QP-P/Mg），在感染性下颌骨缺损模型中通过清除ROS和激活Nrf2/HO-1通路修复线粒体，6周时BV/TV达60.18%，约为对照组5倍。Cao等人开发的Gel-Mg-ALN微球支架通过早期H₂释放抗炎、后续持续释放阿仑膦酸钠（ALN）和Mg²⁺，在OVX小鼠骨质疏松颅骨缺损中显著促进骨再生。Lu等人设计pH响应性GelMA/Mg/DMF微球支架，共封装Mg微球和焦亡抑制剂富马酸二甲酯（DMF），在酸性炎症微环境中快速释放H₂提供早期抗氧化抗炎效应，后续Mg²⁺和DMF释放抑制焦亡并促进成骨。Mu等人将金属-酚醛网络（MPN）包覆的微镁丝嵌入双层胶原膜（Col-MMW），通过调控巨噬细胞代谢从糖酵解向氧化磷酸化转换、激活Nrf2/HO-1通路并抑制NF-κB通路，促进大鼠颅骨缺损再生。在MgH₂基系统中，Pei等人将MgH₂微球封装于PLGA中，通过气体发泡和405 nm光交联制备可注射多孔支架（MgH₂@PLGA/F-GM），30天内降解率达74.72%，与骨缺损早期炎症期匹配，在糖尿病小鼠颅骨缺损中显著提高新骨填充比例。Chen等人开发基于Mg₂Si的可注射水凝胶，与脂肪干细胞微球共封装，体内局部H₂释放持续28天，在OA相关软骨缺损模型中提高移植干细胞存活并维持软骨分化潜能。
5.1.2 钙基氢气释放生物材料
钙基材料如羟基磷灰石和磷酸钙陶瓷因其成分与天然骨无机质相似而广泛用于骨缺损修复。Zhang等人开发基于硼化钙纳米片（CBN）和多巴胺功能化明胶（GelDA）的可注射水凝胶（CBN@GelDA），在生理条件下持续释放H₂超过一周，在大鼠OA模型中表现出显著抗炎和软骨保护作用。另一研究利用CaH₂水解的多重生物学效应构建“氢/碱/钙”三重协同治疗系统：原位H₂释放增强细菌膜通透性，大量Ca²⁺内流诱导细菌钙超载，同时产生的OH^?发挥快速杀菌作用。在金黄色葡萄球菌感染的小鼠胫骨骨髓炎模型中，28天后骨髓培养几乎检测不到细菌，BV/TV接近未感染假手术组。Chen等人设计聚羟基链烷酸酯（PHA）包覆的硅化钙纳米颗粒（CSN）负载于介孔生物活性玻璃（MBG）的复合支架（CSN@PHA-MBG），在生理条件下持续释放H₂达一周，在老年小鼠骨缺损模型中重塑衰老微环境并有效促进骨再生。
5.1.3 硅基氢气释放生物材料
硅基材料传统功能依赖持续释放SiO₄^4?和PO₄^3?等成骨离子促进骨基质矿化。近年来研究者整合其H₂释放性能赋予新生物活性。Mac等人设计负载纳米硅的径向排列矿化胶原支架（RA-MC/nSi），nSi表面在炎症微环境反应中逐渐形成二氧化硅层，降低反应速率，实现持续约7天的H₂释放，同时释放的硅酸促进前成骨细胞增殖和分化。8周时BV/TV约70%，较对照组提高14倍。Pang等人开发由电纺氢化硅（H-Si）纳米片和GelMA组成的可注射短纤维系统，通过GelMA基质受控降解调节H-Si水解动力学，产生持续抗氧化效应，在大鼠OA模型中增强软骨修复。
5.1.4 氨硼烷基氢气释放生物材料
AB因高H₂储存容量和温和条件下释放H₂的能力而备受关注。Xu等人通过生物正交化学将AB负载的聚乙二醇化聚多巴胺纳米颗粒（PPA NPs）锚定在MSC表面构建细胞-纳米颗粒复合物（MSC-PPA），利用MSC归巢效应实现联合靶向，在酸性病变微环境中触发pH响应性H₂释放，清除ROS并促进巨噬细胞M2极化，在大鼠OA模型中促进软骨再生。Wang等人开发多功能可注射水凝胶（mPDA@Mel-AB OCS/CMC-BG），将共载褪黑素和AB的介孔聚多巴胺纳米颗粒通过席夫碱反应整合到氧化软骨素硫酸酯（OCS）和羧甲基壳聚糖（CMC）网络，在OA大鼠模型中OARSI评分从约14.5降至约4.5。另一研究设计基于中空介孔普鲁士蓝的硒包覆H₂释放纳米酶（Se-HMPB@AB@COS），在关节炎小鼠中延迟软骨退化。Zhang等人提出纳米限域策略，通过一端锚定对接（OEAD）方式将AB分子固定于缺氧混合相钛酸盐纳米晶（HyPT）层间，仅允许层间水侵入时缓慢水解，在高糖环境下持续释放H₂达11天，并与预载Mg²⁺协同，在糖尿病和正常血糖兔股骨缺损模型中显著促进神经支配和血管化，增强骨再生。对比而言，Mg、Ca和Si基材料的水解产物（Mg²⁺、Ca²⁺、硅酸）具有已知成骨活性，可实现H₂治疗与离子介导成骨结合；而AB本身无成骨功能，其降解产物（硼酸盐/硼酸）存在潜在肾毒性，提高材料设计和临床转化难度。
5.2 物理响应性氢气释放生物材料在骨再生中的应用
5.2.1 光催化氢气释放生物材料
光催化氢气释放生物材料在骨组织工程中处于早期阶段，但外源光触发可控H₂释放赋予其独特应用潜力。Shi等人开发基于聚多巴胺修饰石墨相氮化碳与纤维蛋白（Fg）水凝胶交联的多功能人工骨膜（Fg/PDA@g-C₃N₄）。在NIR照射下，PDA@g-C₃N₄催化水分解产生H₂和O₂，缓解移植微环境的氧化应激和缺氧。在老年糖尿病大鼠颅骨缺损模型中，负载衰老人鼻黏膜外胚层干细胞后显著提高干细胞存活和保留率，8周时BV/TV较对照组提高4.1倍（28.6%±5.1%对6.9%±1.9%）。
5.2.2 压电响应氢气释放生物材料
压电材料可将机械刺激转换为电信号促进骨再生，压电催化材料进一步整合H₂生成功能。Song等人构建铂修饰石墨炔氧化物（GDYO@Pt）肖特基结并封装于温敏水凝胶中，利用界面偶极诱导的内建电场增强压电效应。超声刺激下肖特基结极化电荷驱动电子从GDYO转移至Pt促进产H₂，同时空穴和纳米酶活性催化H₂O₂分解为O₂，协同缓解氧化应激。在小鼠颅骨缺损模型中，超声激活的GDYO@Pt凝胶12周时新骨面积比达75.37%，BV/TV达69.00%，BMD达0.658 g/cm³。Wang等人将钛酸钡纳米颗粒（BTO NPs）负载于介孔二氧化硅（MSN@BTO）并包覆不对称MnO₂壳层构建Piezo-MnO₂马达，利用Janus结构实现主动运动以穿透软骨基质，超声刺激下压电BTO产H₂，同时MnO₂催化H₂O₂分解为O₂，在MIA诱导OA大鼠模型中促进骨修复并改善软骨完整性。
5.2.3 磁热响应氢气释放生物材料
磁热响应系统具有非接触能量传递、深组织穿透和时空可控优点。Yang等人利用交变磁场（AMF）驱动的涡流热效应诱导局部加热，加速镁棒与体液腐蚀反应动力学，实现可控H₂释放并同时产生OH^?和Mg²⁺。在小鼠骨髓炎模型中，该系统通过H₂清除过量ROS并减弱局部炎症，OH^?增强抗菌效果，Mg²⁺提供成骨活性，实现感染控制与骨再生一体化治疗。此外，Liu等人开发骨靶向纳米复合物A-Z@Pd(H)，将还原性H₂负载于钯纳米立方体，通过ZIF-8封装和阿仑膦酸盐修饰实现骨靶向，H₂释放主要依赖物理解吸和扩散，呈时间依赖性持续释放，在OVX小鼠骨质疏松模型中改善骨微环境、增加骨密度并抑制破骨细胞活性。
6. 跨学科见解：将氢气释放生物材料转化至骨再生
6.1 化学响应性氢气释放生物材料
现有化学响应性材料（Mg、Ca、Si基）在体液中主要通过水解产H₂，缺乏对骨缺损炎症和酸化微环境的选择性。而Fe基材料主要在酸性条件下释放H₂，正常生理环境中活性极低。在肿瘤治疗中，Fe@CMC纳米颗粒和Fe-MOF纳米晶体已被用于酸性肿瘤微环境中原位产H₂。这种酸触发特性与骨缺损局部酸中毒密切相关。且无H₂释放功能的Fe基材料已在骨组织工程中具有良好应用基础和促成骨活性。因此，酸响应Fe基氢气释放系统可在炎症或感染区域优先激活H₂释放，为骨再生提供微环境选择性H₂释放策略。
6.2 物理响应性氢气释放生物材料
光催化材料如g-C₃N₄经聚多巴胺修饰后虽扩展光响应范围，但其催化活性仍主要依赖价带到导带的电子激发。对深部骨缺损，NIR光子能量较低，无法有效激发价带电子跨越带隙，严重限制H₂生产效率。上转换纳米颗粒（UCNPs）可解决此能量屏障：Ge等人开发的UCNP@CoP@g-C₃N₄复合系统将深穿透NIR光（980 nm）转换为可激发g-C₃N₄的可见光，实现深脑组织远程驱动原位水分解产H₂。该策略为深部骨缺损的非侵入性激活提供了可行途径。糖尿病骨缺损修复中，Chen等人和Shen等人设计光催化系统利用局部过量葡萄糖作为底物，消耗葡萄糖同时生成H₂，H₂发挥抗炎抗氧化作用，葡萄糖消耗调节高血糖微环境，产生协同治疗效应。超声方面，Yuan等人构建Pt-Bi₂S₃异质结，在超声下催化水分解实现持续H₂生成，增强声催化与H₂治疗协同抗肿瘤效果。低强度脉冲超声（LIPUS）已广泛用于加速骨折愈合，将其与催化H₂释放功能结合，有望在LIPUS治疗同时激活局部H₂释放，协同促进骨再生。
7. 氢气释放生物材料用于骨再生的挑战与未来方向
首先，缺乏定量H₂评价系统和可靠的体内监测策略。当前文献多用“可控”“持续释放”等定性描述，仅有少数研究报告定量产H₂指标，如CaSi₂纳米颗粒产H₂能力911 mL/g，可注射短纤维产气体积浓度8.6%等。但缺乏统一测量标准，检测单位和条件不同，难以跨研究比较。骨愈合过程中不同阶段对H₂的生物学需求可能不同，但有效浓度窗口、剂量-反应关系和阶段特异性释放动力学仍不明确。作者提出概念性阶段自适应框架以关联骨愈合动态需求与理想化H₂释放曲线。
其次，体内生理屏障深刻改变H₂转运和清除，体外释放动力学无法直接预测体内疗效。蛋白吸附、免疫细胞吞噬和包裹动态重塑材料界面，改变降解途径和界面反应行为。现有检测方法受扩散限制、信号干扰和三维多孔支架系统空间分辨率不足制约。针对NO、H₂S、CO等气体信使已有成像和生物传感策略，但H₂的深活体组织原位实时定量检测平台仍不成熟。未来应优先发展更模拟体内微环境的体外评价系统，结合体内成像和传感技术，阐明H₂时空分布，确定有效浓度阈值和阶段性释放动力学。
第三，化学和物理响应系统面临不同限制因素。化学响应材料（Mg、Ca基）水解必然产生OH^?和H₂，主要安全性问题包括局部碱化和不受控气体释放。快速OH^?蓄积升高局部pH可能损害细胞功能，过量H₂产生可超过组织清除能力，形成气腔延迟愈合甚至导致微血管气体栓塞。目前策略主要通过材料工程（水凝胶缓冲系统、纳米限域设计）调节释放动力学，但缺乏统一的OH^?释放速率或H₂产生速率生理安全阈值，多数评价依赖局部pH变化、气泡形成和组织学结果等间接指标。尚无证据表明H₂本身具有直接细胞毒性，风险主要来自爆发性气体释放和局部碱化。物理响应材料依赖外源能量输入，携带较低爆发释放风险，但受限于能量递送不足。现有研究多在小动物中进行，组织厚度有限，光或超声衰减较小。向大动物模型和临床转化时，复杂解剖结构、厚软组织、致密骨屏障将显著增加能量衰减和散射。未来应增强组织穿透和局部能量利用。
第四，从临床转化角度，平衡设计复杂度与制造和监管要求仍是挑战。化学响应系统的pH或水解触发反应特性在化学、制造和控制（CMC）放大中可能增加对材料组成和加工条件的敏感性，对规模化、批次间重现性和符合良好生产规范（GMP）的制造工艺构成挑战。常规灭菌条件下材料可能发生结构改变和性能损失，灭菌稳定性是产品开发和商业化的重要考虑。物理响应系统依赖外部设备，在异质组织环境中确保能量效率和剂量可重复性困难，增加临床复杂度。监管分类可能将整合生物材料基质、产H₂组分和外部激活装置的产品归类为联合产品，审批路径更复杂。长期安全性证据仍有限，多数研究通过主要器官H&E染色报告无明显全身毒性，但评估时间较短（3-12周）且多为小动物模型，长期体内代谢、生物分布和慢性免疫毒性数据缺乏。
8. 结论
病理条件下的骨缺损修复仍是重大挑战。该再生过程受氧化应激