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微区X射线荧光成像光谱仪在生物材料领域的应用 - 可降解金属材料篇

发布时间:2024-01-12浏览:2894

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       生物材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或者替换病损组织和器官,增进功能的一类材料。而可降解生物材料是指材料被植入人体内,能够不断地发生降解,降解的产物能被生物体所吸收的或者会排出体外的一类材料。可降解生物材料植入人体后,首先代替被替换的组织执行功能,然后随着材料被降解吸收,新生组织得到同步替换,达到永久性治疗的目的。可降解生物金属材料无论是作为植入体还是医疗器械,都是在复杂的生物环境下工作。


       可降解金属材料因其独特的降解特性和生物活性,极具临床应用前景。目前,可降解金属植入物材料主要有镁合金、铁合金和锌合金。大量研究表明,可降解镁合金降解速度过快,可降解铁合金降解速度过慢,金属锌的降解速率非常符合临床要求,但其较低的力学性能限制了锌及其合金的应用。


       德国Bruker的高性能微区X射线荧光光谱仪M4 TORNADO可以帮助科学家筛选和开发新型的可降解生物材料,探索其在体内的降解速率及扩散机理。M4 TORNADO可以对大尺寸样品(20cm x 16cm)实现高分辨率元素分布成像,无需喷金喷碳等样品制备,可进行原位无损检测,检出限在ppm-100%,可视化展现生物材料元素分布情况和生物体内元素降解扩散过程。


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       北京航空航天大学医学科学与工程学院杨宏韬老师课题组在Wiley旗下AdvancedHealthcare Materials中发表了A dose-dependent spatiotemporal response of angiogenesis elicited by Zn biodegradation during the initial stage of bone regeneration,已知锌在骨代谢中不可或缺的作用,生物可降解的锌基材料具有促进骨创伤后骨再生的生物活性。

      然而,锌的生物降解对骨修复进程中的血管生成影响尚不清楚,血管生成在随后的骨再生中起着至关重要的作用。此文章研究发现,锌在体内和体外的生物降解诱导血管生成具有一致的剂量依赖性时空响应。在关键骨缺损模型中,由于生物降解导致的锌释放强度在术后3至10天内增加。同时,在第10天,Zn植入物周围cd31阳性区域的面积比明显高于Ti植入物,表明血管生成增强。此外,血管生成表现出距离依赖特征,这与来自锌植入物的锌信号的强度分布密切相关。

      为了探索血管生成增强与植入材料之间的潜在关系,研究组利用背散射电子成像(BEIs)、元素映射和微区x射线荧光(μ-XRF)研究了植入物的生物降解行为。结果发现:

       在第3天,如果只从BEIs提供的信息看,看不到Zn植入物有明显的降解行为。德国Bruker公司的Micro-XRF元素分布图像显示,在距植入物100 ~ 500 Microm处显示出明显Zn元素信号环,表明含Zn降解产物的空间分布。这是因为:

       1.对于微量元素的检测,Micro-XRF比EDS具有更高的检测灵敏度,可以检测到浓度为ppm的Zn空间信号

       2.Micro-XRF的扫描面积比EDS大,可以从更大尺度观测Zn降解产物的空间分布

       与第3天相比,在第10天,BEIs图像发现明显的生物降解,其中Zn、C、O和P聚集在植入物周围,此外,Micro-XRF图像也显示了在材料周围更明显的Zn信号,与BEIs的结果一致。

       与Zn植入物相比,Ti植入物从第3天到第10天保持惰性,EDS和Micro-XRF均检测不到含Ti降解产物的信号。

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鲁克微区X射线荧光光谱仪的特点


       德国Bruker微区X射线荧光元素分布成像技术是对不均匀、不规则、大样品甚至小件样品和包裹物进行高灵敏度、非破坏性元素的成像分析,涉及领域包含生物金属材料、非金属材料、生物组织切片、医疗器械等。


       Micro-XRF相对于EDS绘图具有以下优势:

       1)样品无需进行喷金喷碳制备,无损、非接触式检测;

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

       3)可以对样品进行单点,多点,线扫描,面分布成像,一次性成像面积≥190mm x 160mm, 无需拼接, 元素分布像素≥40M pixels ;

       4)Micro-XRF元素检出范围:ppm-100%,EDS检出范围≥0.1%,对于微量元素的检测具有优势;

       5)X射线的穿透深度为微米到毫米级别,相比电子束可以更好地检测亚表面成分。采用多毛细管技术,Micro-XRF系统中小束斑尺寸≤20μm。

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