在生物材料科學的前沿，3D打印技術以其強大的優(yōu)勢，正塑造著新一代生物醫(yī)用支架的設計和制造。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，以促進組織的修復與再生。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注。然而，精確調(diào)控鋅基支架的降解速率，實時監(jiān)測其在體內(nèi)的動態(tài)變化，以及評估其對組織修復的促進作用，構成了該領域中尚待攻克的關鍵難題。

      為了解決這些難題，研究人員計劃開發(fā)一種3D打印的鋅基多孔支架，該支架將通過創(chuàng)新的多尺度結構設計，實現(xiàn)對降解速率的精確控制，并激發(fā)并促進骨組織的快速再生。為此，研究團隊采用了微區(qū)X射線熒光光譜（μ-XRF）技術，對鋅基支架的降解行為和成骨效果進行了全面的分析和監(jiān)測。

      XRF技術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重要的角色。它能夠無損地檢測和映射支架及其周圍組織中的元素分布，包括鋅（Zn）和鈣（Ca）等關鍵元素。這些元素的分布情況直接關聯(lián)著支架的降解行為和新骨組織的形成。通過XRF技術，研究者能夠在不同時間點對支架進行動態(tài)監(jiān)測，觀察并記錄鋅和鈣元素濃度的實時變化。

▲鋅-鋰（Zn-Li）多孔支架在3天和3個月時的橫截面圖像(SEM),3個月時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）結構支架和Gyroid結構支架；3D、1M、3M分別指代植入后3天、1個月、3個月的時間節(jié)點。

▲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。

      這些色度圖提供了關于鋅（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)檢測到鋅信號（以藍紫色表示）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個月時，BCC結構支架出現(xiàn)了嚴重的降解現(xiàn)象，部分孔隙被降解產(chǎn)物填充；而G結構支架則顯示出更加均勻的降解特性。此外，在G結構支架的孔隙區(qū)域中檢測到了鈣（Ca）信號，這表明了礦化基質(zhì)的形成。到了3個月時，BCC結構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結構支架的降解模式雖然從均勻變?yōu)榫植炕?，但其金屬部分仍然保持完整。更重要的是，大量新骨組織已經(jīng)生長進入G結構支架的相互連接的孔隙區(qū)域，而BCC結構支架在礦化基質(zhì)沉積方面仍處于早期階段。因此，G結構支架在材料生物降解和骨再生之間的匹配性優(yōu)于BCC結構支架。

      微區(qū)XRF技術的應用不僅加深了我們對3D打印鋅基多孔支架降解行為和成骨效果的理解，而且為設計新型生物醫(yī)用材料提供了一種強有力的分析工具。通過精確的元素分析和動態(tài)監(jiān)測，XRF技術為生物材料的研究和開發(fā)開辟了新的視野，為個性化醫(yī)療和精準醫(yī)療的發(fā)展提供了推動力。

參考文獻：

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

微區(qū)X射線熒光元素分布成像技術是對不均勻、不規(guī)則、大樣品甚至小件樣品和包裹物進行高靈敏度、非破壞性元素成像分析的方法，涉及領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。