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          微區X射線熒光成像光譜儀在生物材料領域的應用 - 可降解金屬材料篇

          發布時間:2024-01-12瀏覽:2533

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                 生物材料是用來對生物體進行診斷、治療、修復或者替換病損組織和器官,增進功能的一類材料。而可降解生物材料是指材料被植入人體內,能夠不斷地發生降解,降解的產物能被生物體所吸收的或者會排出體外的一類材料??山到馍锊牧现踩肴梭w后,首先代替被替換的組織執行功能,然后隨著材料被降解吸收,新生組織得到同步替換,達到永久性治療的目的??山到馍锝饘俨牧蠠o論是作為植入體還是醫療器械,都是在復雜的生物環境下工作。


                 可降解金屬材料因其獨特的降解特性和生物活性,極具臨床應用前景。目前,可降解金屬植入物材料主要有鎂合金、鐵合金和鋅合金。大量研究表明,可降解鎂合金降解速度過快,可降解鐵合金降解速度過慢,金屬鋅的降解速率非常符合臨床要求,但其較低的力學性能限制了鋅及其合金的應用。


                 德國Bruker的高性能微區X射線熒光光譜儀M4 TORNADO可以幫助科學家篩選和開發新型的可降解生物材料,探索其在體內的降解速率及擴散機理。M4 TORNADO可以對大尺寸樣品(20cm x 16cm)實現高分辨率元素分布成像,無需噴金噴碳等樣品制備,可進行原位無損檢測,檢出限在ppm-100%,可視化展現生物材料元素分布情況和生物體內元素降解擴散過程。


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                 北京航空航天大學醫學科學與工程學院楊宏韜老師課題組在Wiley旗下AdvancedHealthcare Materials中發表了A dose-dependent spatiotemporal response of angiogenesis elicited by Zn biodegradation during the initial stage of bone regeneration,已知鋅在骨代謝中不可或缺的作用,生物可降解的鋅基材料具有促進骨創傷后骨再生的生物活性。

                然而,鋅的生物降解對骨修復進程中的血管生成影響尚不清楚,血管生成在隨后的骨再生中起著至關重要的作用。此文章研究發現,鋅在體內和體外的生物降解誘導血管生成具有一致的劑量依賴性時空響應。在關鍵骨缺損模型中,由于生物降解導致的鋅釋放強度在術后3至10天內增加。同時,在第10天,Zn植入物周圍cd31陽性區域的面積比明顯高于Ti植入物,表明血管生成增強。此外,血管生成表現出距離依賴特征,這與來自鋅植入物的鋅信號的強度分布密切相關。

                為了探索血管生成增強與植入材料之間的潛在關系,研究組利用背散射電子成像(BEIs)、元素映射和微區x射線熒光(μ-XRF)研究了植入物的生物降解行為。結果發現:

                 在第3天,如果只從BEIs提供的信息看,看不到Zn植入物有明顯的降解行為。德國Bruker公司的Micro-XRF元素分布圖像顯示,在距植入物100 ~ 500 Microm處顯示出明顯Zn元素信號環,表明含Zn降解產物的空間分布。這是因為:

                 1.對于微量元素的檢測,Micro-XRF比EDS具有更高的檢測靈敏度,可以檢測到濃度為ppm的Zn空間信號

                 2.Micro-XRF的掃描面積比EDS大,可以從更大尺度觀測Zn降解產物的空間分布

                 與第3天相比,在第10天,BEIs圖像發現明顯的生物降解,其中Zn、C、O和P聚集在植入物周圍,此外,Micro-XRF圖像也顯示了在材料周圍更明顯的Zn信號,與BEIs的結果一致。

                 與Zn植入物相比,Ti植入物從第3天到第10天保持惰性,EDS和Micro-XRF均檢測不到含Ti降解產物的信號。

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          魯克微區X射線熒光光譜儀的特點


                 德國Bruker微區X射線熒光元素分布成像技術是對不均勻、不規則、大樣品甚至小件樣品和包裹物進行高靈敏度、非破壞性元素的成像分析,涉及領域包含生物金屬材料、非金屬材料、生物組織切片、醫療器械等。


                 Micro-XRF相對于EDS繪圖具有以下優勢:

                 1)樣品無需進行噴金噴碳制備,無損、非接觸式檢測;

                 2)工作距離≥ 10mm,分析速度快,相同分辨率情況下,成像速度是EDS的5倍

                 3)可以對樣品進行單點,多點,線掃描,面分布成像,一次性成像面積≥190mm x 160mm, 無需拼接, 元素分布像素≥40M pixels ;

                 4)Micro-XRF元素檢出范圍:ppm-100%,EDS檢出范圍≥0.1%,對于微量元素的檢測具有優勢;

                 5)X射線的穿透深度為微米到毫米級別,相比電子束可以更好地檢測亞表面成分。采用多毛細管技術,Micro-XRF系統中小束斑尺寸≤20μm。

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