应用分享丨微区XRF技术在3D打印锌基多孔支架降解与成骨效果评估中的研究

2024-08-09265

在生物材料科学的前沿，3D打印技术以其革命性的优势，正塑造着新一代生物医用支架的设计和制造。这些支架不仅需展现出卓越的生物相容性和生物活性，而且必须能够精确地在体内降解，以促进组织的修复与再生。在众多潜在材料之中，锌基材料因其出色的生物可降解性和成骨潜力而受到越来越多的关注。然而，精确调控锌基支架的降解速率，实时监测其在体内的动态变化，以及评估其对组织修复的促进作用，构成了该领域中尚待攻克的关键难题。

为了解决这些难题，研究人员计划开发一种3D打印的锌基多孔支架，该支架将通过创新的多尺度结构设计，实现对降解速率的精确控制，并激发并促进骨组织的快速再生。为此，研究团队采用了微区X射线荧光光谱（μ-XRF）技术，对锌基支架的降解行为和成骨效果进行了全面的分析和监测。

XRF技术以其卓越的高灵敏度和高空间分辨率，在此次研究中扮演了至关重要的角色。它能够无损地检测和映射支架及其周围组织中的元素分布，包括锌（Zn）和钙（Ca）等关键元素。这些元素的分布情况直接关联着支架的降解行为和新骨组织的形成。通过XRF技术，研究者能够在不同时间点对支架进行动态监测，观察并记录锌和钙元素浓度的实时变化。

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锌-锂（Zn-Li）多孔支架在3天和3个月时的横截面图像(SEM),3个月时Zn-Li多孔支架金属部分的Micro-CT二维截面和三维重建。

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锌-锂（Zn-Li）多孔支架代表性横截面的锌（Zn）、钙（Ca）分布色度图，由Bruker M4+ Tornado 微区XRF检测。

上图展示了锌-锂（Zn-Li）多孔支架在大鼠股骨中的体内降解行为的微区XRF图像。图像中，BCC和G分别指代体心立方（Body-Centered Cubic）结构支架和Gyroid结构支架；3D、1M、3M分别指代植入后3天、1个月、3个月的时间节点。

这些色度图提供了关于锌（Zn）、钙（Ca）元素分布的可视化信息，直接反映了支架的降解状态和新骨组织的形成过程。在植入后的3天，2种支架支柱在骨缺损区域均保持着完整的轮廓，然而，μ-XRF已经检测到锌信号（以蓝紫色表示）在孔隙区域和缺损区域边缘的分布，这一现象表明支架已经开始了早期的生物降解。到了1个月时，BCC结构支架出现了严重的降解现象，部分孔隙被降解产物完全填充；而G结构支架则显示出更加均匀的降解特性。此外，在G结构支架的孔隙区域中检测到了钙（Ca）信号，这表明了矿化基质的形成。到了3个月时，BCC结构支架的降解虽然显著但并不均匀，部分支柱已经完全降解，而其他支柱则没有。通过3D重建的体内样本可以清晰地观察到这种崩塌的形态。相比之下，G结构支架的降解模式虽然从均匀变为局部化，但其金属部分仍然保持完整。更重要的是，大量新骨组织已经生长进入G结构支架的相互连接的孔隙区域，而BCC结构支架在矿化基质沉积方面仍处于早期阶段。因此，G结构支架在材料生物降解和骨再生之间的匹配性优于BCC结构支架。

微区XRF技术的应用不仅加深了我们对3D打印锌基多孔支架降解行为和成骨效果的理解，而且为设计新型生物医用材料提供了一种强有力的分析工具。通过精确的元素分析和动态监测，XRF技术为生物材料的研究和开发开辟了新的视野，为个性化医疗和精准医疗的发展提供了推动力。

参考文献：

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.

微区X射线荧光光谱技术

微区X射线荧光元素分布成像技术是对不均匀、不规则、大样品甚至小件样品和包裹物进行高灵敏度、非破坏性元素成像分析的首选方法，涉及领域包含生物金属材料、非金属材料、生物组织切片、医疗器械等。

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