Micro-CT应用分享：在生物材料研究中的应用

引文

计算机断层扫描（CT）是一种先进的成像技术，结合了计算机控制、X射线成像与电子机械技术，而显微CT（Micro-CT）作为其延伸，提供了一种非破坏性的三维成像方法，能够在不损坏样本的情况下清晰呈现微观结构。与常规CT相比，Micro-CT 具有更高的分辨率，通常达到微米级别，因此在医学、药学、生物学、考古学和材料科学等多个领域得到了广泛应用。

利用 Bruker Skyscan 1276 显微CT设备及 NRECON 重建软件，能够将二维影像转化为三维，并提供可视化与分析功能，适用于离体和活体组织的成像，特别是在骨骼、肺部及牙科研究中表现突出。此外，该设备在材料科学领域同样重要，能够深入分析复合材料的微观结构，研究其内部缺陷及性能，从而为新材料的开发和优化提供强有力的数据支持。

一

案例一 Bruker Skyscan 1276在生物植入物加速骨愈合研究中的应用

2022年10月26日，广西大学资源环境与材料学院的李伟洲教授课题组在 Composites Part B: Engineering 在线发表了题为“Gallium-niobium nanofiber surface of niobium/PEKK composite with anti-inflammatory, osteogenesis and anti-bacterial effects for facilitating osteoblastic differentiation and ameliorating osteointegration”的研究论文，该研究制备了一种新型的纳米纤维材料 NPCG，显著促进了骨髓间充质干细胞在体外的增殖和成骨分化，具有良好的生物兼容性，展现出抗炎、杀菌和成骨能力，改善了骨整合，显示出在骨替代材料方面的巨大潜力，适用于骨科应用。

在本研究论文中，研究者通过制备 Nb/PEKK 复合材料 NPC，并在此基础上构建了 Ga-Nb 纤维表面的 NPC (NPCG)，激光共聚焦图像显示，BMS 细胞在 NPB 和 NPCG 材料上培养3天后，细胞数量超过 PEKK 材料，并且 NPCG 材料上细胞的增殖、黏附效果更优（图1A）。同时，对于 NPCG 材料的培养小鼠巨噬细胞 RAW 264.7呈现出纺锤状形态，即 M2 巨噬细胞样，而在 PEKK 材料上，大多数细胞呈现球状形态（图1B）。免疫荧光结果同样显示 NPCG 材料上具有更多分化的 M2 巨噬细胞（M1 巨噬细胞的 iNOS 标记-绿色和 M2 巨噬细胞的 CD206 标记-红色）。

为进一步探究 NPCG 材料在促进成骨和骨整合方面的作用，研究者采用 Micro-CT(SKYSCAN 1276) 展示了新西兰大白兔动物模型在植入 NPCG 等材料术后不同时间的3D图像，随着时间推移，所有样品的成骨量都增减，在术后4周和12周，NPCG 植入动物的骨形成量最高，其次为 NPC，PEKK 最低(图1C-a)。定量结果显示，所有样品的骨形成随着时间延长而增加，在4周和12周，NPCG 材料的骨形成最高，其次为 NPC，PEKK 形成量最低（图1C-b, c, d）。

图1 NPCG、NPC 和 PEKK 材料处理动物模型骨形成图

Micro-CT(SKYSCAN 1276)

Micro computed tomography (m-CT, SkyScan 1276) from Bruker of USA was utilized to obtain the images of the implanted samples and surrounding bone tissue through scanning the fixed specimens with X ray, and the Amira software 6.0.1 was applied to reconstruct the 3D images. The bone-formation for the samples was determined with a CTAn program from Skyscan of USA, including: bone volume/total volume (BV/TV), trabecular number (TbN), bone mineral density (BMD) and trabecular thickness (Tb.Th).

二

案例二 Bruker Skyscan 1276在用于体内骨修复的新型材料研究中的应用

2021年7月6日，美国明尼苏达州 Mayo clinic 生理学与生物医学部的 Lu. Lichun 团队在 Biomaterials 上在线发表了题为“Injectable catalyst-free click organic-inorganic nanohybrid (click-ON) cement for minimally invasive in vivo bone repair.”的研究论文，该研究新开发了一种无毒性的“点击”有机-无机纳米杂化系统(click-ON)，该系统可以在没有催化剂的情况下进行点击交联，click-ON 骨泥支持干细胞的黏附、增殖和成骨，使用大鼠颅骨缺损模型进行的体内评估显示出色的骨形成和最小细胞毒性。click-ON 骨泥还可以创建多孔结构并支持更好的体内骨再生，在兔模型的脊柱融合中也表现良好的前景。Click-ON 骨泥具有优越的生物相容性和生物降解性，在骨及相关组织的应用中表现出巨大潜力。

本研究中，研究人员通过点击交联合成Click-ON 骨泥，并在建立大鼠颅骨缺损模型后注入 Click-ON 骨泥进行修复，并采用 Micro-CT（SKYSCAN 1276）检查大鼠颅骨修复。在 Micro-CT 的重建图像中显示，采用 Click-ON 骨泥注入的大鼠颅骨缺损在4周后具有必要的骨形成，并且新的骨面积和骨体积与组织体积（BV/TV）比值表明，最佳的骨形成发生在 Click-ON 3:2 骨泥的位置（图2A）。而在可注射的 Click-ON 骨泥支架中，盐溶解后形成的均匀孔隙形态具有优异的生物相容性，能支持细胞的良好黏附和增殖（图2B-a, b），此外这些骨泥支架上还观察到大量的 OPN 成骨标志物（图2B-c）和 Runx2 成骨标志物（图2B-d）的表达。通过 Micro-CT 重建图像 2B-e 所示，在大鼠的 Click-ON 多孔支架骨泥注入的缺损区域具有必要的骨形成，对新成型的骨区面积的定量分析以及骨体积与组织体积（BV/TV）比率表明，使用 Click-ON 多孔支架骨泥的大鼠缺损部位骨形成量显著增加（图2B-f,g）。

图2 Click-ON 支骨泥对大鼠模型的颅骨修复

为进一步探讨 Click-ON 骨泥在原位注射中的应用能力，研究者将其注入大鼠椎体的腔内（图3-a,b），结果表明 Click-ON 骨泥可用于骨腔注射修复。为了更全面地评估骨腔注射骨泥对骨形成的促进作用，研究者在新西兰大白兔的腰外侧脊柱区域进行了注射。Micro-CT 重建图像显示，在注射 Click-ON 骨泥的兔模型的椎体周围观察到了钙化骨物质的形成（图3-c-g）。随后，在兔脊椎周边进一步注射后，结果仍显示在兔外侧脊柱部位有新的骨生成（图3-h-l）。这些结果表明 Click-ON 骨泥在脊柱融合修复中具有潜在的应用价值。

在本研究中，研究者多次通过 Micro-CT 对 Click-ON 骨泥在骨修复中的应用进行了系统观察，并在活体动物模型中验证了其在骨修复中的潜在价值。

图3 Click-ON 骨泥促进脊柱空腔骨形成

三

参考文献

WEI W, YANG R, YU Q, et al. Gallium-niobium nanofiber surface of niobium/PEKK composite with anti-inflammatory, osteogenesis and anti-bacterial effects for facilitating osteoblastic differentiation and ameliorating osteointegration[J]. Composites Part B: Engineering, 2023, 248: 110375.

LIU X, CAMILLERI E T, LI L, et al. Injectable catalyst-free “click” organic-inorganic nanohybrid (click-ON) cement for minimally invasive in vivo bone repair[J]. Biomaterials, 2021, 276: 121014.

佰莱博生物利用Bruker Skyscan 1276显微CT设备提供实验动物离体样本检测分析服务。

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