文献信息

宁波大学附属李惠利医院等单位的研究成果“Magnesium oxide nanoparticles modulate phase separation to form trabecular-structured cryogels for bone defect repair”（氧化镁纳米颗粒调节相分离形成骨小梁结构的冷冻凝胶用于骨缺损修复）在《Materials Today Bio》杂志上发表。平生公司的离体CT（VENUS）在论文中提供股骨标本图像和定量分析。该研究的通讯作者为彭兆祥主任。第一作者为柳伯韬。

文献摘要

严重的骨缺损带来了显著的治疗挑战，通常需要大量的骨移植才能进行有效的干预，从而导致巨大的医疗负担。自体骨的稀缺和小梁骨的复杂结构需要开发具有成本效益的仿生移植物材料。在这项研究中，作者使用冷冻诱导相分离方法开发了一种掺入MgO纳米粒子的水凝胶支架（P-G-C-MgO2）支架实现了多孔结构，孔隙率为56.48±7.062%，平均孔径为565.7±53.62μm，与天然小梁骨非常相似。它在降解过程中表现出卓越的机械稳定性，并持续释放生物活性成分，包括Mg2+、I型胶原蛋白和明胶。这些特征促进了早期细胞募集和成骨分化。在股骨远端骨缺损模型中，P-G-C-MgO2表现出优异的骨整合，并显著增强了新骨再生。

实验方法

空隙结构分析

体外矿化后，使用micro-CT系统（VENUS平生医疗科技有限公司）扫描水凝胶支架。在90kV的管电压和0.08mA的管电流下进行扫描，采用连续扫描采集模式收集数据。然后使用Avatar软件（Avatar 平生医疗科技有限公司）中的FDK算法重建扫描数据，得到水凝胶支架的三维重建图像。选择整个水凝胶支架作为感兴趣区域（ROI）进行进一步分析。应用标准化阈值（>-350）来定义水凝胶支架，剩余区域被归类为支架之间的孔隙空间。在选定的区域内，对孔隙孔隙度、孔径、比表面积和连通性进行了分析和量化。

动物实验

使用体重约250克的8周龄雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠建立股骨髁缺损修复模型。根据之前报道的方案，成功麻醉后用聚维酮碘对后肢进行消毒。沿内侧皮肤和皮下组织做纵向切口，然后钝性解剖股内侧肌，通过股四头肌内侧入路暴露股骨髁。在股骨内侧髁的顶点，使用克氏针钻一个导向孔，钻头平行于股骨远端关节面，以形成直径2.5mm的经皮质缺损。在确认缺损通道对齐令人满意后，使用生理记录仪彻底冲洗掉骨碎片。

Micro-CT扫描

按照上述方案，使用micro-CT系统（VENUS平生医疗科技有限公司）扫描在预定时间点采集的股骨标本。使用Avatar软件中的FDK算法重建采集的数据集，以生成股骨标本的详细三维（3D）表示。在重建的3D图像中，沿着水凝胶植入轴描绘了直径为2.5mm的ROI，并应用了标准化阈值（>750）来识别骨组织。在预定义的ROI内计算和分析骨相关参数，包括新形成的骨体积（BV）、骨体积分数（BV/TV）、小梁数量（Tb.N）、小梁厚度（Tb.Th）和小梁间距（Tb.Sp）。

实验结果

多孔结构在骨缺损修复中起着至关重要的作用，研究表明，孔径接近生理骨的高度连接的多尺度结构，以及高孔隙率，可以显著促进内源性骨生长和代谢物的有效交换。显微CT三维扫描图像清晰地显示了不同水凝胶样品的整体形态和内部结构特征。P-G-C水凝胶结构相对致密，内部孔隙较小；然而，随着MgO含量从P-GC-MgO0.1增加到P-GC-MgO1，水凝胶结构变得更加多孔，显示出逐渐增加的多尺度多孔结构和更大的孔径。随着MgO纳米粒子含量的持续增加，孔径减小，孔结构开始闭合。P-G-C-MgO2显示了最合适的具有开放通道的微/纳米多尺度多孔结构（图2a）结构分析证实了这些结论。含有MgO纳米颗粒的水凝胶样品表现出更高的孔隙率，例如P-G-CMgO2的孔隙率为56.48±7.062%，接近生理骨组织的孔隙率。然而，当MgO含量增加到3%（P-G-C-MgO3）时，孔隙率降至33.34±11.56%，表明过量的MgO纳米粒子可能会干扰相分离（图2b）。关于孔径，随着MgO含量的增加，水凝胶孔径逐渐减小，从P-G-C-MgO0.1中的1265±113.0μm减小到P-G-CMgO2中的565.7±53.62μm。P-GC-MgO3的孔径（597.1±27.19μm）与P-GC-MgO2的孔径相似，没有显著变化（图2c）。此外，P-G-C-MgO2由于其孔结构接近生理骨的孔结构，显示出最高的表面积，并且与相互连接的多孔结构具有更高的连接率（图2b-e）。这些结构优势有助于内源性骨生长、血管向内生长以及营养物质和代谢物的有效运输。

图2 水凝胶支架的孔结构分析。（a） P-G-C、P-G-C-MgO0.1、P-GC-MgO0.5、P-GC-MgO 1、P-GC-MnO2和P-GC-MgO 3的显微CT图像。（b–e）每组水凝胶支架的孔隙率、孔径、内表面积和连接性。

作者在SD大鼠中建立了股骨远端缺损模型，并在每个实验组中植入水凝胶，以评估其修复骨缺损的疗效。使用显微CT扫描对术后4周和8周采集的股骨标本进行结构分析。如图7a所示，在整个观察期间，每个水凝胶支架组都保持了一致的固定效果。

到4周时，在缺陷区域内只检测到轻微的骨沉积，没有明显的内源性骨向内生长到支架中。作者假设，这种有限的早期骨形成可能是由于支架降解所需的滞后性，以完全暴露多孔结构以及骨再生的自然生理时间线。然而，到8周的时间点，所有组都表现出明显的内源性骨生长，PG-C-MgO2组在CT成像上显示出最明显的骨沉积。这表明，一旦水凝胶降解，多孔支架结构为骨向内生长提供了合适的框架，而降解的生物活性副产物可能有助于早期细胞募集并增强新骨的形成。BV的定量分析显示，四周时各组之间没有显著差异。然而，在8周时，P-GC-MgO2组的BV明显高于P组（图7b）。此外，P-G-C-MgO2组在8周时的BV比率在所有组中最高，表明支架降解后暴露的多孔结构为骨组织生长提供了充足的空间（图7c）。此外，P-GC-MgO2组每单位体积的钙沉积密度高于其他组。到8周时，各组在小梁分离或数量方面没有显著差异，这表明P-G-C-MgO2组BV比率的增加可能主要是由于小梁厚度的增加（图7d-G）。这些发现表明，P-GC-MgO2水凝胶在体内植入模型中表现出优异的固定和骨缺损修复能力。

使用结论

在这项研究中，作者采用MgO纳米粒子调制相分离和冷冻铸造来制备具有相互连接的多孔结构的冷凝胶。MgO重量百分比为2%的P-G-C-MgO2水凝胶形成了与生理小梁骨结构非常相似的内部结构。此外，在体外矿化前后，它都表现出显著的抗压强度和储能模量。此外，P-GC-MgO2水凝胶在体外和体内均表现出卓越的生物安全性。

与纯PVA水凝胶相比，生物活性成分（明胶、I型胶原和MgO纳米粒子）的整合显著增强了rBMSC的体外募集和成骨诱导活性。在体内研究中，这种支架充当了细胞募集的利基，显示出显著的骨缺损修复能力，其具有成本效益的制备、仿生小梁结构、优异的机械性能和良好的机械性能。

使用设备

                                            Micro CT（型号：VENUS）（平生医疗科技）

                                                    影像软件：Avatar（平生医疗科技）