文獻信息
寧波大學附屬李惠利醫(yī)院等單位的研究成果“Magnesium oxide nanoparticles modulate phase separation to form trabecular-structured cryogels for bone defect repAIr”（氧化鎂納米顆粒調(diào)節(jié)相分離形成骨小梁結構的冷凍凝膠用于骨缺損修復）在《Materials Today Bio》雜志上發(fā)表。平生公司的離體CT（VENUS）在論文中提供股骨標本圖像和定量分析。該研究的通訊作者為彭兆祥主任。第一作者為柳伯韜。

文獻摘要
嚴重的骨缺損帶來了顯著的治療挑戰(zhàn)，通常需要大量的骨移植才能進行有效的干預，從而導致巨大的醫(yī)療負擔。自體骨的稀缺和小梁骨的復雜結構需要開發(fā)具有成本效益的仿生移植物材料。在這項研究中，作者使用冷凍誘導相分離方法開發(fā)了一種摻入MgO納米粒子的水凝膠支架（P-G-C-MgO2）支架實現(xiàn)了多孔結構，孔隙率為56.48±7.062%，平均孔徑為565.7±53.62μm，與天然小梁骨非常相似。它在降解過程中表現(xiàn)出卓越的機械穩(wěn)定性，并持續(xù)釋放生物活性成分，包括Mg2+、I型膠原蛋白和明膠。這些特征促進了早期細胞募集和成骨分化。在股骨遠端骨缺損模型中，P-G-C-MgO2表現(xiàn)出優(yōu)異的骨整合，并顯著增強了新骨再生。

實驗方法
空隙結構分析
體外礦化后，使用micro-CT系統(tǒng)（VENUS平生醫(yī)療科技有限公司）掃描水凝膠支架。在90kV的管電壓和0.08mA的管電流下進行掃描，采用連續(xù)掃描采集模式收集數(shù)據(jù)。然后使用Avatar軟件（Avatar 平生醫(yī)療科技有限公司）中的FDK算法重建掃描數(shù)據(jù)，得到水凝膠支架的三維重建圖像。選擇整個水凝膠支架作為感興趣區(qū)域（ROI）進行進一步分析。應用標準化閾值（>-350）來定義水凝膠支架，剩余區(qū)域被歸類為支架之間的孔隙空間。在選定的區(qū)域內(nèi)，對孔隙孔隙度、孔徑、比表面積和連通性進行了分析和量化。

動物實驗
使用體重約250克的8周齡雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠建立股骨髁缺損修復模型。根據(jù)之前報道的方案，成功麻醉后用聚維酮碘對后肢進行消毒。沿內(nèi)側(cè)皮膚和皮下組織做縱向切口，然后鈍性解剖股內(nèi)側(cè)肌，通過股四頭肌內(nèi)側(cè)入路暴露股骨髁。在股骨內(nèi)側(cè)髁的頂點，使用克氏針鉆一個導向孔，鉆頭平行于股骨遠端關節(jié)面，以形成直徑2.5mm的經(jīng)皮質(zhì)缺損。在確認缺損通道對齊令人滿意后，使用生理記錄儀徹底沖洗掉骨碎片。

Micro-CT掃描
按照上述方案，使用micro-CT系統(tǒng)（VENUS平生醫(yī)療科技有限公司）掃描在預定時間點采集的股骨標本。使用Avatar軟件中的FDK算法重建采集的數(shù)據(jù)集，以生成股骨標本的詳細三維（3D）表示。在重建的3D圖像中，沿著水凝膠植入軸描繪了直徑為2.5mm的ROI，并應用了標準化閾值（>750）來識別骨組織。在預定義的ROI內(nèi)計算和分析骨相關參數(shù)，包括新形成的骨體積（BV）、骨體積分數(shù)（BV/TV）、小梁數(shù)量（Tb.N）、小梁厚度（Tb.Th）和小梁間距（Tb.Sp）。

實驗結果
多孔結構在骨缺損修復中起著至關重要的作用，研究表明，孔徑接近生理骨的高度連接的多尺度結構，以及高孔隙率，可以顯著促進內(nèi)源性骨生長和代謝物的有效交換。顯微CT三維掃描圖像清晰地顯示了不同水凝膠樣品的整體形態(tài)和內(nèi)部結構特征。P-G-C水凝膠結構相對致密，內(nèi)部孔隙較小；然而，隨著MgO含量從P-GC-MgO0.1增加到P-GC-MgO1，水凝膠結構變得更加多孔，顯示出逐漸增加的多尺度多孔結構和更大的孔徑。隨著MgO納米粒子含量的持續(xù)增加，孔徑減小，孔結構開始閉合。P-G-C-MgO2顯示了最合適的具有開放通道的微/納米多尺度多孔結構（圖2a）結構分析證實了這些結論。含有MgO納米顆粒的水凝膠樣品表現(xiàn)出更高的孔隙率，例如P-G-CMgO2的孔隙率為56.48±7.062%，接近生理骨組織的孔隙率。然而，當MgO含量增加到3%（P-G-C-MgO3）時，孔隙率降至33.34±11.56%，表明過量的MgO納米粒子可能會干擾相分離（圖2b）。關于孔徑，隨著MgO含量的增加，水凝膠孔徑逐漸減小，從P-G-C-MgO0.1中的1265±113.0μm減小到P-G-CMgO2中的565.7±53.62μm。P-GC-MgO3的孔徑（597.1±27.19μm）與P-GC-MgO2的孔徑相似，沒有顯著變化（圖2c）。此外，P-G-C-MgO2由于其孔結構接近生理骨的孔結構，顯示出最高的表面積，并且與相互連接的多孔結構具有更高的連接率（圖2b-e）。這些結構優(yōu)勢有助于內(nèi)源性骨生長、血管向內(nèi)生長以及營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物的有效運輸。

圖2 水凝膠支架的孔結構分析。（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的顯微CT圖像。（b–e）每組水凝膠支架的孔隙率、孔徑、內(nèi)表面積和連接性。

作者在SD大鼠中建立了股骨遠端缺損模型，并在每個實驗組中植入水凝膠，以評估其修復骨缺損的療效。使用顯微CT掃描對術后4周和8周采集的股骨標本進行結構分析。如圖7a所示，在整個觀察期間，每個水凝膠支架組都保持了一致的固定效果。

到4周時，在缺陷區(qū)域內(nèi)只檢測到輕微的骨沉積，沒有明顯的內(nèi)源性骨向內(nèi)生長到支架中。作者假設，這種有限的早期骨形成可能是由于支架降解所需的滯后性，以完全暴露多孔結構以及骨再生的自然生理時間線。然而，到8周的時間點，所有組都表現(xiàn)出明顯的內(nèi)源性骨生長，PG-C-MgO2組在CT成像上顯示出最明顯的骨沉積。這表明，一旦水凝膠降解，多孔支架結構為骨向內(nèi)生長提供了合適的框架，而降解的生物活性副產(chǎn)物可能有助于早期細胞募集并增強新骨的形成。BV的定量分析顯示，四周時各組之間沒有顯著差異。然而，在8周時，P-GC-MgO2組的BV明顯高于P組（圖7b）。此外，P-G-C-MgO2組在8周時的BV比率在所有組中最高，表明支架降解后暴露的多孔結構為骨組織生長提供了充足的空間（圖7c）。此外，P-GC-MgO2組每單位體積的鈣沉積密度高于其他組。到8周時，各組在小梁分離或數(shù)量方面沒有顯著差異，這表明P-G-C-MgO2組BV比率的增加可能主要是由于小梁厚度的增加（圖7d-G）。這些發(fā)現(xiàn)表明，P-GC-MgO2水凝膠在體內(nèi)植入模型中表現(xiàn)出優(yōu)異的固定和骨缺損修復能力。

圖7 使用Micro-CT對SD大鼠股骨頭缺損中P-G-C-MgO2的新骨形成進行體內(nèi)分析。（a）股骨的Micro-CT圖像和定義的感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)的重建骨組織圖像（藍色表示再生骨；綠色表示有缺陷的骨區(qū)域）。（b–g）植入后4周和8周ROI內(nèi)新骨形成的定量分析。（b）BV，（c）BV/TV，（d）BMD，（e）Tb.Sp、（f）Tb.Th和（g）Tb.N。

使用結論
在這項研究中，作者采用MgO納米粒子調(diào)制相分離和冷凍鑄造來制備具有相互連接的多孔結構的冷凝膠。MgO重量百分比為2%的P-G-C-MgO2水凝膠形成了與生理小梁骨結構非常相似的內(nèi)部結構。此外，在體外礦化前后，它都表現(xiàn)出顯著的抗壓強度和儲能模量。此外，P-GC-MgO2水凝膠在體外和體內(nèi)均表現(xiàn)出卓越的生物安全性。

與純PVA水凝膠相比，生物活性成分（明膠、I型膠原和MgO納米粒子）的整合顯著增強了rBMSC的體外募集和成骨誘導活性。在體內(nèi)研究中，這種支架充當了細胞募集的利基，顯示出顯著的骨缺損修復能力，其具有成本效益的制備、仿生小梁結構、優(yōu)異的機械性能和良好的機械性能。

使用設備

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