文獻信息
寧波大學附屬李惠利醫院等單位的研究成果“Magnesium oxide nanoparticles modulate phase separation to form trabecular-structured cryogels for bone defect repAIr”（氧化鎂納米顆粒調節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，通常需要大量的骨移植才能進行有效的干預，從而導致巨大的醫療負擔。自體骨的稀缺和小梁骨的復雜結構需要開發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了一種摻入MgO納米粒子的水凝膠支架（P-G-C-MgO2）支架實現了多孔結構，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出卓越的機械穩定性，并持續釋放生物活性成分，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表現出優異的骨整合，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（VENUS平生醫療科技有限公司）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，采用連續掃描采集模式收集數據。然后使用Avatar軟件（Avatar 平生醫療科技有限公司）中的FDK算法重建掃描數據，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，剩余區域被歸類為支架之間的孔隙空間。在選定的區域內，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。沿內側皮膚和皮下組織做縱向切口，然后鈍性解剖股內側肌，通過股四頭肌內側入路暴露股骨髁。在股骨內側髁的頂點，使用克氏針鉆一個導向孔，鉆頭平行于股骨遠端關節面，以形成直徑2.5mm的經皮質缺損。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（VENUS平生醫療科技有限公司）掃描在預定時間點采集的股骨標本。使用Avatar軟件中的FDK算法重建采集的數據集，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內計算和分析骨相關參數，包括新形成的骨體積（BV）、骨體積分數（BV/TV）、小梁數量（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和內部結構特征。P-G-C水凝膠結構相對致密，內部孔隙較小；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）。這些結構優勢有助于內源性骨生長、血管向內生長以及營養物質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，在缺陷區域內只檢測到輕微的骨沉積，沒有明顯的內源性骨向內生長到支架中。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，所有組都表現出明顯的內源性骨生長，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生長提供了合適的框架，而降解的生物活性副產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）。這些發現表明，P-GC-MgO2水凝膠在體內植入模型中表現出優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分析。（a）股骨的Micro-CT圖像和定義的感興趣區域（ROI）內的重建骨組織圖像（藍色表示再生骨；綠色表示有缺陷的骨區域）。（b–g）植入后4周和8周ROI內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部結構。此外，在體外礦化前后，它都表現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均表現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）（平生醫療科技）
影像軟件：Avatar（平生醫療科技）