文献信息
湖北工业大学生命科学与健康工程学院、武汉大学化学院生物医用高分子教育部重点实验室、中国科学院武汉病毒研究所病毒学与生物安全国家重点实验室等单位的研究成果“A Thermoplastic and Visualizable Bone Scaffold Dynamically Enhances Hemostasis and Osteogenesis in Bone Defects”（一种热塑性可视化骨支架动态增强骨缺损的止血和成骨）在《Advanced Functional Materials》（IF=19）杂志上发表。平生公司的离活一体CT（NEMO）在论文中提供大鼠胫骨图像和定量分析。
该研究的通讯作者为湖北工业大学纳米药物与生物活性材料团队PI刘佳教授。第一作者为团队骨干蔡明真博士。该工作得到了武汉大学蒋序林教授和中科院武汉病毒所胡杨波研究员的大力支持。
文献摘要
骨缺损的治疗在临床上具有挑战性，因为多阶段手术必须分别处理止血和骨再生，以及骨形成和植入物降解的几乎不可见的过程。本研究受天然骨结构和蜂蜡可塑性的启发，通过将温度敏感且CT可视化的甲壳素衍生物（IQCH）与纳米羟基磷灰石（nHA）结合，然后用仿蜂蜡结构分子（PEG）浸润，开发了一种热适应性和非侵入性可视化骨支架（TRANS）。加热后，TRANS变得柔软和可塑，从而能够精确贴合不规则缺陷。当温度降低到生理水平时，支架恢复其高机械强度，确保稳定固定和有效止血。在骨再生过程中，TRANS中的PEG被动态吸收以恢复多孔结构，从而允许干细胞浸润、增殖和成骨分化。在体内，TRANS有效地密封缺损部位，促进大鼠胫骨缺损的骨再生，在CT监测下显示同步的支架降解和新骨形成。这项研究提出了一种仿生支架，动态实现集成止血，成骨和实时成像，为骨缺损的治疗提供了一个有前途的策略。
实验方法
温敏性碘改性甲壳素的合成
合成碘化季铵化甲壳素（IQCH），将溴化二碘苯胺（146 mg）的DMSO溶液滴加到QCH溶液中，并在4 ℃下反应48 h。将混合物透析纯化，随后冷冻干燥得到IQCH。
TRANS的体外和体内可视化
体外可视化：IQCH溶液的CT值使用Micro-CT系统测量（0.5%、1%、2.5%和5.0%）（NEMO Micro CT，NMC-200，平生医疗科技有限公司）以80 kV、0.04 mA和20帧/秒的连续扫描模式进行扫描。基于IQCH的支架的CT值同样被记录。
胫骨缺损修复实验
使用牙科微型钻在SD大鼠胫骨中创建单侧经皮质缺损（直径2 mm，深度5-6 mm），而不进行外部或内部固定。钻孔过程中持续生理盐水冲洗以清除骨碎片并防止过热，缺损处用TRANS或市售骨蜡填充，空白组不做处理，然后进行软组织闭合。在术后1天、6周和10周进行Micro-CT扫描（NEMO Micro CT，NMC-200，平生医疗科技有限公司）进行三维重建。使用Avatar软件（平生医疗科技有限公司）定量感兴趣区（ROI）内的骨体积分数（BV/TV）、骨表面密度（BS/TV）和骨再生体积分数（BRV/TV）以评估骨愈合 。
实验结果
IQCH溶液的CT值显示出浓度依赖性增加，从0.5wt%时的9±1 HU增加至5wt%时的726±50 HU（图3A、B），其显著高于5wt%（2.53 ± 0.51 HU）的QCH溶液的浓度。值得注意的是，用PEG渗透通过替换截留在其多孔结构内的空气而显著提高了基于IQCH的支架的CT值。注入PEG 1000的支架表现出最高的CT数（484 ± 13HU），这归因于其最大的密度（图3C，D）。因此，除了赋予热响应可塑性之外，PEG浸润增强了TRANS的X射线衰减效应，从而允许CT可视化。
图3，IQCH溶液（A、B）和含不同分子量PEG的IQCH支架的TRANS.（A-D）CT图像和CT值的无创可视化效果（600、800或1000 Da）（C，D）（n = 3）.
在用热塑性TRANS精确密封缺损后，通过微CT监测大鼠的骨修复过程。如CT图像所示，在TRANS组中观察到皮质骨的逐渐恢复，而空白组（未处理的大鼠）仅表现出沿缺损边缘沿着的边缘骨痂形成（图7 B）。值得注意的是，在骨蜡组中，发生了继发性骨折和进行性胫骨变形，结果甚至不如空白组。鉴于TRANS的CT可视化特性，CT信号的3D重建可以无创监测支架降解。第1天，可以清楚地观察到植入的TRANS，其体积在第6周和第10周分别逐渐降解至31.0 ± 1.2%和3.6±1.5%（图7 C）。新骨沿着支架形成，表明支架降解与新骨形成同步进行，而骨蜡组和对照组均未检测到材料信号。骨蜡可以存留在缺损中以在体内形成物理屏障，其阻断血液和营养物与周围骨组织的交换，从而抑制新骨形成和血管化。此外，其生物惰性表面会阻碍细胞粘附并破坏成骨细胞的分化，进一步损害骨愈合过程。然而，由于骨蜡的非可视化天然，不利的骨再生过程不能在植入后进行无创可视化和评估，强调了骨再生实时可视化的价值。在第10周，TRANS组表现出显著增强的骨再生结果，骨体积分数（BV/TV）为76.3 ± 6.5%，骨表面分数（BS/TV）为1.1 ± 0.1%mm-1，骨再生体积分数（BRV/TV）为48.1 ± 7.5%（图7 D-F），所有这些都明显高于空白组和骨蜡组。TRANS的优异性能可归因于以下协同效应：（1）TRANS因其热响应塑性和力学性能，可精确封闭骨缺损，实现快速止血和机械支持; (2)TRANS中的蜂蜡样成分（PEG）在体内溶解和吸收，再生有利于细胞渗透和营养交换的多孔网络; (3)TRANS可促进BMSCs的迁移和增殖，并刺激其成骨分化，从而促进骨再生过程。
图7 TRANS的体内胫骨再生。（A）体内骨再生实验的示意图。（B）胫骨修复的Micro-CT 3D重建和照片（C）（B）中植入后TRANS的相对体积（n = 5）。（D）BV/TV的定量分析（E）BS/TV（骨表面/组织体积）和（F）BRV/TV（骨再生体积/组织体积）比率（n = 5）。
使用结论
CT监测显示支架降解与新骨形成同步，有效弥合止血与骨修复之间的差距，无创可视化功能将传统的骨再生“黑匣子”转化为可观察的过程，为骨支架的迭代优化提供CT数据驱动的理念。总的来说，这项工作提出了一个创新的材料平台和概念框架，用于开发智能，自适应支架，使综合骨缺损治疗成为可能。
使用设备
Micro CT (型号：NEMO) (平生医疗科技)
影像软件：Avatar（平生医疗科技）
苏公网安备32058302003603
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