文獻(xiàn)信息
湖北工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與健康工程學(xué)院、武漢大學(xué)化學(xué)院生物醫(yī)用高分子教育部重點實驗室、中國科學(xué)院武漢病毒研究所病毒學(xué)與生物安全國家重點實驗室等單位的研究成果“A Thermoplastic and Visualizable Bone Scaffold Dynamically Enhances Hemostasis and Osteogenesis in Bone Defects”（一種熱塑性可視化骨支架動態(tài)增強(qiáng)骨缺損的止血和成骨）在《Advanced Functional Materials》（IF=19）雜志上發(fā)表。平生公司的離活一體CT（NEMO）在論文中提供大鼠脛骨圖像和定量分析。

該研究的通訊作者為湖北工業(yè)大學(xué)納米藥物與生物活性材料團(tuán)隊PI劉佳教授。第一作者為團(tuán)隊骨干蔡明真博士。該工作得到了武漢大學(xué)蔣序林教授和中科院武漢病毒所胡楊波研究員的大力支持。

文獻(xiàn)摘要
骨缺損的治療在臨床上具有挑戰(zhàn)性，因為多階段手術(shù)必須分別處理止血和骨再生，以及骨形成和植入物降解的幾乎不可見的過程。本研究受天然骨結(jié)構(gòu)和蜂蠟可塑性的啟發(fā)，通過將溫度敏感且CT可視化的甲殼素衍生物（IQCH）與納米羥基磷灰石（nHA）結(jié)合，然后用仿蜂蠟結(jié)構(gòu)分子（PEG）浸潤，開發(fā)了一種熱適應(yīng)性和非侵入性可視化骨支架（TRANS）。加熱后，TRANS變得柔軟和可塑，從而能夠精確貼合不規(guī)則缺陷。當(dāng)溫度降低到生理水平時，支架恢復(fù)其高機(jī)械強(qiáng)度，確保穩(wěn)定固定和有效止血。在骨再生過程中，TRANS中的PEG被動態(tài)吸收以恢復(fù)多孔結(jié)構(gòu)，從而允許干細(xì)胞浸潤、增殖和成骨分化。在體內(nèi)，TRANS有效地密封缺損部位，促進(jìn)大鼠脛骨缺損的骨再生，在CT監(jiān)測下顯示同步的支架降解和新骨形成。這項研究提出了一種仿生支架，動態(tài)實現(xiàn)集成止血，成骨和實時成像，為骨缺損的治療提供了一個有前途的策略。

實驗方法
溫敏性碘改性甲殼素的合成
合成碘化季銨化甲殼素（IQCH），將溴化二碘苯胺（146 mg）的DMSO溶液滴加到QCH溶液中，并在4 ℃下反應(yīng)48 h。將混合物透析純化，隨后冷凍干燥得到IQCH。

TRANS的體外和體內(nèi)可視化
體外可視化：IQCH溶液的CT值使用Micro-CT系統(tǒng)測量（0.5%、1%、2.5%和5.0%）（NEMO Micro CT，NMC-200，平生醫(yī)療科技有限公司）以80 kV、0.04 mA和20幀/秒的連續(xù)掃描模式進(jìn)行掃描�；�于IQCH的支架的CT值同樣被記錄。

脛骨缺損修復(fù)實驗
使用牙科微型鉆在SD大鼠脛骨中創(chuàng)建單側(cè)經(jīng)皮質(zhì)缺損（直徑2 mm，深度5-6 mm），而不進(jìn)行外部或內(nèi)部固定。鉆孔過程中持續(xù)生理鹽水沖洗以清除骨碎片并防止過熱，缺損處用TRANS或市售骨蠟填充，空白組不做處理，然后進(jìn)行軟組織閉合。在術(shù)后1天、6周和10周進(jìn)行Micro-CT掃描（NEMO Micro CT，NMC-200，平生醫(yī)療科技有限公司）進(jìn)行三維重建。使用Avatar軟件（平生醫(yī)療科技有限公司）定量感興趣區(qū)（ROI）內(nèi)的骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）、骨表面密度（BS/TV）和骨再生體積分?jǐn)?shù)（BRV/TV）以評估骨愈合 。

實驗結(jié)果
IQCH溶液的CT值顯示出濃度依賴性增加，從0.5wt%時的9±1 HU增加至5wt%時的726±50 HU（圖3A、B），其顯著高于5wt%（2.53 ± 0.51 HU）的QCH溶液的濃度。值得注意的是，用PEG滲透通過替換截留在其多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣而顯著提高了基于IQCH的支架的CT值。注入PEG 1000的支架表現(xiàn)出最高的CT數(shù)（484 ± 13HU），這歸因于其最大的密度（圖3C，D）。因此，除了賦予熱響應(yīng)可塑性之外，PEG浸潤增強(qiáng)了TRANS的X射線衰減效應(yīng)，從而允許CT可視化。

圖3，IQCH溶液（A、B）和含不同分子量PEG的IQCH支架的TRANS.（A-D）CT圖像和CT值的無創(chuàng)可視化效果（600、800或1000 Da）（C，D）（n = 3）.

在用熱塑性TRANS精確密封缺損后，通過微CT監(jiān)測大鼠的骨修復(fù)過程。如CT圖像所示，在TRANS組中觀察到皮質(zhì)骨的逐漸恢復(fù)，而空白組（未處理的大鼠）僅表現(xiàn)出沿缺損邊緣沿著的邊緣骨痂形成（圖7 B）。值得注意的是，在骨蠟組中，發(fā)生了繼發(fā)性骨折和進(jìn)行性脛骨變形，結(jié)果甚至不如空白組。鑒于TRANS的CT可視化特性，CT信號的3D重建可以無創(chuàng)監(jiān)測支架降解。第1天，可以清楚地觀察到植入的TRANS，其體積在第6周和第10周分別逐漸降解至31.0 ± 1.2%和3.6±1.5%（圖7 C）。新骨沿著支架形成，表明支架降解與新骨形成同步進(jìn)行，而骨蠟組和對照組均未檢測到材料信號。骨蠟可以存留在缺損中以在體內(nèi)形成物理屏障，其阻斷血液和營養(yǎng)物與周圍骨組織的交換，從而抑制新骨形成和血管化。此外，其生物惰性表面會阻礙細(xì)胞粘附并破壞成骨細(xì)胞的分化，進(jìn)一步損害骨愈合過程。然而，由于骨蠟的非可視化天然，不利的骨再生過程不能在植入后進(jìn)行無創(chuàng)可視化和評估，強(qiáng)調(diào)了骨再生實時可視化的價值。在第10周，TRANS組表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的骨再生結(jié)果，骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）為76.3 ± 6.5%，骨表面分?jǐn)?shù)（BS/TV）為1.1 ± 0.1%mm^-1，骨再生體積分?jǐn)?shù)（BRV/TV）為48.1 ± 7.5%（圖7 D-F），所有這些都明顯高于空白組和骨蠟組。TRANS的優(yōu)異性能可歸因于以下協(xié)同效應(yīng)：（1）TRANS因其熱響應(yīng)塑性和力學(xué)性能，可精確封閉骨缺損，實現(xiàn)快速止血和機(jī)械支持; (2)TRANS中的蜂蠟樣成分（PEG）在體內(nèi)溶解和吸收，再生有利于細(xì)胞滲透和營養(yǎng)交換的多孔網(wǎng)絡(luò); (3)TRANS可促進(jìn)BMSCs的遷移和增殖，并刺激其成骨分化，從而促進(jìn)骨再生過程。

圖7 TRANS的體內(nèi)脛骨再生。（A）體內(nèi)骨再生實驗的示意圖。（B）脛骨修復(fù)的Micro-CT 3D重建和照片（C）（B）中植入后TRANS的相對體積（n = 5）。（D）BV/TV的定量分析（E）BS/TV（骨表面/組織體積）和（F）BRV/TV（骨再生體積/組織體積）比率（n = 5）。

使用結(jié)論
CT監(jiān)測顯示支架降解與新骨形成同步，有效彌合止血與骨修復(fù)之間的差距，無創(chuàng)可視化功能將傳統(tǒng)的骨再生“黑匣子”轉(zhuǎn)化為可觀察的過程，為骨支架的迭代優(yōu)化提供CT數(shù)據(jù)驅(qū)動的理念�？偟膩碚f，這項工作提出了一個創(chuàng)新的材料平臺和概念框架，用于開發(fā)智能，自適應(yīng)支架，使綜合骨缺損治療成為可能。

使用設(shè)備

Micro CT (型號：NEMO) (平生醫(yī)療科技)
 影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）