在生物材料科學(xué)的前沿，3D打印技術(shù)以其強(qiáng)大的優(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)出優(yōu)異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)劃開發(fā)一種3D打印的鋅基多孔支架，該支架將通過創(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)具有更高的靈敏度和空間分辨率，在此次研究中扮演了至關(guān)重要的角色。它能夠無損地檢測(cè)和映射支架及其周圍組織中的元素分布，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)降解，而其他支柱則沒有。通過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浣饘俨糠秩匀槐３滞暾?。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BCC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優(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發(fā)開辟了新的視野，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。