文獻信息
湖北工業(yè)大學生命科學與健康工程學院、武漢大學化學院生物醫(yī)用高分子教育部重點實驗室、中國科學院武漢病毒研究所病毒學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)大學納米藥物與生物活性材料團隊PI劉佳教授。第一作者為團隊骨干蔡明真博士。該工作得到了武漢大學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。當溫度降低到生理水平時，支架恢復其高機械強度，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)吸收以恢復多孔結(jié)構(gòu)，從而允許干細胞浸潤、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)掃描模式進行掃描�；�于IQCH的支架的CT值同樣被記錄。

脛骨缺損修復實驗
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，然后進行軟組織閉合。在術(shù)后1天、6周和10周進行Micro-CT掃描（NEMO Micro CT，NMC-200，平生醫(yī)療科技有限公司）進行三維重建。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)的骨體積分數(shù)（BV/TV）、骨表面密度（BS/TV）和骨再生體積分數(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，除了賦予熱響應可塑性之外，PEG浸潤增強了TRANS的X射線衰減效應，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)測大鼠的骨修復過程。如CT圖像所示，在TRANS組中觀察到皮質(zhì)骨的逐漸恢復，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胞粘附并破壞成骨細胞的分化，進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行無創(chuàng)可視化和評估，強調(diào)了骨再生實時可視化的價值。在第10周，TRANS組表現(xiàn)出顯著增強的骨再生結(jié)果，骨體積分數(shù)（BV/TV）為76.3 ± 6.5%，骨表面分數(shù)（BS/TV）為1.1 ± 0.1%mm^-1，骨再生體積分數(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：（1）TRANS因其熱響應塑性和力學性能，可精確封閉骨缺損，實現(xiàn)快速止血和機械支持; (2)TRANS中的蜂蠟樣成分（PEG）在體內(nèi)溶解和吸收，再生有利于細胞滲透和營養(yǎng)交換的多孔網(wǎng)絡; (3)TRANS可促進BMSCs的遷移和增殖，并刺激其成骨分化，從而促進骨再生過程。

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，自適應支架，使綜合骨缺損治療成為可能。

使用設備

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