在生物材料科學(xué)的前沿,3D打印技術(shù)以其革命性的優(yōu)勢(shì),正塑造著新一代生物醫(yī)用支架的設(shè)計(jì)和制造。這些支架不僅需展現(xiàn)出卓越的生物相容性和生物活性,而且必須能夠精確地在體內(nèi)降解,以促進(jìn)組織的修復(fù)與再生。在眾多潛在材料之中,鋅基材料因其出色的生物可降解性和成骨潛力而受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而,精確調(diào)控鋅基支架的降解速率,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其在體內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化,以及評(píng)估其對(duì)組織修復(fù)的促進(jìn)作用,構(gòu)成了該領(lǐng)域中尚待攻克的關(guān)鍵難題。
為了解決這些難題,研究人員計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種3D打印的鋅基多孔支架,該支架將通過(guò)創(chuàng)新的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)降解速率的精確控制,并激發(fā)并促進(jìn)骨組織的快速再生。為此,研究團(tuán)隊(duì)采用了微區(qū)X射線熒光光譜(μ-XRF)技術(shù),對(duì)鋅基支架的降解行為和成骨效果進(jìn)行了全面的分析和監(jiān)測(cè)。
XRF技術(shù)以其卓越的高靈敏度和高空間分辨率,在此次研究中扮演了至關(guān)重要的角色。它能夠無(wú)損地檢測(cè)和映射支架及其周?chē)M織中的元素分布,包括鋅(Zn)和鈣(Ca)等關(guān)鍵元素。這些元素的分布情況直接關(guān)聯(lián)著支架的降解行為和新骨組織的形成。通過(guò)XRF技術(shù),研究者能夠在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)支架進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),觀察并記錄鋅和鈣元素濃度的實(shí)時(shí)變化。
▲鋅-鋰(Zn-Li)多孔支架在3天和3個(gè)月時(shí)的橫截面圖像(SEM),3個(gè)月時(shí)Zn-Li多孔支架金屬部分的Micro-CT二維截面和三維重建。
上圖展示了鋅-鋰(Zn-Li)多孔支架在大鼠股骨中的體內(nèi)降解行為的微區(qū)XRF圖像。圖像中,BCC和G分別指代體心立方(Body-Centered Cubic)結(jié)構(gòu)支架和Gyroid結(jié)構(gòu)支架;3D、1M、3M分別指代植入后3天、1個(gè)月、3個(gè)月的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。
▲鋅-鋰(Zn-Li)多孔支架代表性橫截面的鋅(Zn)、鈣(Ca)分布色度圖,由Bruker
M4+ Tornado 微區(qū)XRF檢測(cè)。
這些色度圖提供了關(guān)于鋅(Zn)、鈣(Ca)元素分布的可視化信息,直接反映了支架的降解狀態(tài)和新骨組織的形成過(guò)程。在植入后的3天,2種支架支柱在骨缺損區(qū)域均保持著完整的輪廓,然而,μ-XRF已經(jīng)檢測(cè)到鋅信號(hào)(以藍(lán)紫色表示)在孔隙區(qū)域和缺損區(qū)域邊緣的分布,這一現(xiàn)象表明支架已經(jīng)開(kāi)始了早期的生物降解。到了1個(gè)月時(shí),BCC結(jié)構(gòu)支架出現(xiàn)了嚴(yán)重的降解現(xiàn)象,部分孔隙被降解產(chǎn)物完全填充;而G結(jié)構(gòu)支架則顯示出更加均勻的降解特性。此外,在G結(jié)構(gòu)支架的孔隙區(qū)域中檢測(cè)到了鈣(Ca)信號(hào),這表明了礦化基質(zhì)的形成。到了3個(gè)月時(shí),BCC結(jié)構(gòu)支架的降解雖然顯著但并不均勻,部分支柱已經(jīng)完全降解,而其他支柱則沒(méi)有。通過(guò)3D重建的體內(nèi)樣本可以清晰地觀察到這種崩塌的形態(tài)。相比之下,G結(jié)構(gòu)支架的降解模式雖然從均勻變?yōu)榫植炕?,但其金屬部分仍然保持完整。更重要的是,大量新骨組織已經(jīng)生長(zhǎng)進(jìn)入G結(jié)構(gòu)支架的相互連接的孔隙區(qū)域,而B(niǎo)CC結(jié)構(gòu)支架在礦化基質(zhì)沉積方面仍處于早期階段。因此,G結(jié)構(gòu)支架在材料生物降解和骨再生之間的匹配性?xún)?yōu)于BCC結(jié)構(gòu)支架。
微區(qū)XRF技術(shù)的應(yīng)用不僅加深了我們對(duì)3D打印鋅基多孔支架降解行為和成骨效果的理解,而且為設(shè)計(jì)新型生物醫(yī)用材料提供了一種強(qiáng)有力的分析工具。通過(guò)精確的元素分析和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),XRF技術(shù)為生物材料的研究和開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的視野,為個(gè)性化醫(yī)療和精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展提供了推動(dòng)力。
參考文獻(xiàn):
Li S, Yang H. Multiscale architecture
design of 3D printed biodegradable Zn-based porous scaffolds for
immunomodulatory osteogenesis. Nat Commun. 2024;15:3131.
doi:10.1038/s41467-024-47189-5.
微區(qū)X射線熒光光譜技術(shù)
微區(qū)X射線熒光元素分布成像技術(shù)是對(duì)不均勻、不規(guī)則、大樣品甚至小件樣品和包裹物進(jìn)行高靈敏度、非破壞性元素成像分析的方法,涉及領(lǐng)域包含生物金屬材料、非金屬材料、生物組織切片、醫(yī)療器械等。