建筑力學(xué)介導(dǎo)的人工支架骨再生成骨過程

文獻(xiàn)信息
四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院口腔疾病國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及國(guó)家口腔疾病臨床研究中心等團(tuán)隊(duì)的研究成果“Architecture mechanics mediated osteogenic progression in bone regeneration of artificial scaffolds”（建筑力學(xué)介導(dǎo)的人工支架骨再生成骨過程）在學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》（IF：12.5）上發(fā)表。平生公司的離活一體CT（NEMO）在論文中提供了重要的大鼠股骨骨干圖像和定量分析結(jié)果。

該論文通訊作者為楊偉教授，第一作者為龍思羽老師。

文獻(xiàn)摘要
支架結(jié)構(gòu)通過應(yīng)力傳遞對(duì)成骨效應(yīng)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，因?yàn)橹Ъ艿淖冃胃淖兞苏掣皆谥Ъ鼙砻娴募?xì)胞的機(jī)械微環(huán)境。盡管對(duì)支架結(jié)構(gòu)對(duì)骨再生的影響進(jìn)行了廣泛的研究，但目前的研究還沒有解決支架結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)細(xì)胞應(yīng)力刺激（SASS）的生物學(xué)機(jī)制，這對(duì)揭示支架結(jié)構(gòu)和成骨進(jìn)展之間的生物力學(xué)線索構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。因此，制備了變形后對(duì)細(xì)胞進(jìn)行梯度應(yīng)力刺激的石墨、富勒烯和金剛石支架。通過單細(xì)胞RNA測(cè)序，SASS的細(xì)胞生物力學(xué)機(jī)制表明，提供SASS的架構(gòu)可以誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的局灶性粘附和成骨分化途徑的富集，平衡破骨細(xì)胞的骨吸收和骨形成。

實(shí)驗(yàn)方法
臨界尺寸大鼠股骨骨干骨缺損模型
在雄性Sprague-Dawley大鼠（220 g，每組n=12）股骨中制備了半圓柱形（直徑：3 mm，高度：1.5 mm）的臨界大小的大鼠股骨缺損，以評(píng)估不同支架的骨重建潛力。將大鼠麻醉，皮膚用碘伏消毒。所有大鼠缺陷均用三組中的一組填充：（i）GP、（ii）FL和（iii）DM。不設(shè)空白組的原因是未植入的大鼠將在不到5天內(nèi)死亡。最后，仔細(xì)縫合傷口并用碘伏消毒。在植入后1個(gè)月和3個(gè)月對(duì)大鼠實(shí)施安樂死，取出股骨并用1%多聚甲醛固定以供進(jìn)一步分析。

影像學(xué)評(píng)價(jià)
微型計(jì)算機(jī)斷層掃描Micro-CT（NMC-100，平生醫(yī)療科技有限公司）掃描大鼠股骨（n=5）,電壓90 kV、電流0.05 mA、像素大小15μm。掃描結(jié)束后用Avatar (v1.6.9.3,平生醫(yī)療科技有限公司)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重建和分析。選取股骨上方直徑為3mm、高度為1.5mm的半圓柱形區(qū)域作為感興趣區(qū)域，定量計(jì)算骨小梁微結(jié)構(gòu)參數(shù)包括BMD、BV/TV、BS/BV、Tb.Th和Tb.N。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在2D和3D重建圖像中（圖4B），DM組的新骨形成密度較高，而GP和FL組的新形成骨在嚴(yán)重股骨缺損愈合4周后沒有完全填充支架孔。經(jīng)過12周的愈合期后，2D和3D重建圖像（圖4C）顯示支架內(nèi)的大多數(shù)內(nèi)部孔隙都填充了新形成的骨組織；然而，應(yīng)該指出的是，與GP和FL組相比，DM組的皮質(zhì)骨覆蓋范圍更廣。盡管GP和FL支架周圍有一些新形成的皮質(zhì)骨，但并未實(shí)現(xiàn)完全包裹。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)和分析，在4至12周內(nèi)，所有組的骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）（圖4D）、骨礦物質(zhì)密度（BMD）（圖4E）、骨小梁數(shù)量（Tb.N）（圖4F）和骨小梁厚度（Tb.Th）（圖4G）均顯著增加。此外，作者得出結(jié)論，在4周和12周時(shí)，DM組與FL組和GP組相比，BV/TV、BMD、Tb.N、Tb.Th值較高。

圖4 SASS促進(jìn)臨界大小大鼠骨干骨缺損的修復(fù)。（B和C）基于微型計(jì)算機(jī)斷層掃描（Micro-CT）的代表性2D冠狀面切片（頂部）、矢狀面切片（中部）和3D重建（底部）評(píng)估GP、FL和DM組手術(shù)后4周和12周的關(guān)鍵缺陷愈合情況。比例尺，1 mm。（D至G）GP、FL和DM組手術(shù)后4周和12周股骨關(guān)鍵缺陷愈合的顯微CT定量。BV/TV、BMD、Tb.N和Tb.Th。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（每組n=5）。

使用結(jié)論
在具有臨界尺寸的體內(nèi)骨缺損模型中，作者選擇皮質(zhì)骨缺損進(jìn)行研究。與松質(zhì)骨缺損相比，皮質(zhì)骨缺損受到更大的機(jī)械力，使其更適合評(píng)估SASS對(duì)骨缺損修復(fù)的影響。與GP和FL支架相比，DM支架在大鼠體內(nèi)表現(xiàn)出更優(yōu)的成骨作用，從而證明了SASS治療臨界尺寸大鼠骨干骨缺損的療效。骨組織形態(tài)學(xué)分析顯示，DM支架中新骨填充更密集，皮質(zhì)骨完全覆蓋，表明SASS促進(jìn)了支架內(nèi)的骨再生能力。相比之下，GP和FL組表現(xiàn)出大量不完整的髓腔，新骨填充到支架腔中不足，這表明較低的SASS可能會(huì)阻礙新骨礦化的速度。盡管各組修復(fù)12周后的形態(tài)學(xué)結(jié)果相似，三種支架均顯示皮質(zhì)骨愈合，但DM組的BMD和BV/TV等參數(shù)仍高于FL和GP組。此外，DM組新骨小梁的豐度和厚度更大，表明SASS對(duì)骨修復(fù)有積極影響。此外，雖然與空白組相比，所有三組的彎曲強(qiáng)度都有所提高，但觀察到DM組的彎曲力優(yōu)于FL和GP組，接近健康骨骼的水平。

使用設(shè)備

   Micro CT (型號(hào)：NEMO) (平生醫(yī)療科技)
影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）