同步辐射成像比较两种不同骨修复材料修复兔股骨缺损的效果

doi:10.12307/2023.460

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (21): 3343-3348.doi: 10.12307/2023.460

• 组织工程骨材料 tissue-engineered bone • 上一篇下一篇

同步辐射成像比较两种不同骨修复材料修复兔股骨缺损的效果

孙莲莲，刘永超，王志兴

天津市第五中心医院口腔科，天津市 300450

收稿日期:2022-04-15 接受日期:2022-07-19 出版日期:2023-07-28 发布日期:2022-11-23
通讯作者: 王志兴，主任医师，天津市第五中心医院口腔科，天津市 300450
作者简介:孙莲莲，女，1976年生，副主任医师，主要从事口腔医学研究。
基金资助:
天津市滨海新区卫生计生委科技项目重点支持项目(2015BWKZ001)，项目负责人：孙莲莲

Repair effects of two kinds of bone repair materials on rabbit femoral defects compared using synchrotron-radiation-based micro-computed tomography

Sun Lianlian, Liu Yongchao, Wang Zhixing

Department of Stomatology, Tianjin Fifth Central Hospital, Tianjin 300450, China

Received:2022-04-15 Accepted:2022-07-19 Online:2023-07-28 Published:2022-11-23
Contact: Wang Zhixing, Chief physician, Department of Stomatology, Tianjin Fifth Central Hospital, Tianjin 300450, China
About author:Sun Lianlian, Associate chief physician, Department of Stomatology, Tianjin Fifth Central Hospital, Tianjin 300450, China
Supported by:
the Scientific Support Project of the Health and Family Planning Commission of Binhai New District in Tianjin, No. 2015BWKZ001 (to SLL)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

Bio-oss骨粉：取自牛骨，是经过高温煅烧处理去除免疫原性所得的骨填充材料，其无机骨基质与人类多孔骨具有类似的宏观与微观多孔结构，其多孔结构及天然成分促进植入处新骨的形成与生长。基于以上特性，Bio-oss骨粉可作为自体骨的替代物用于修复骨缺损。
奥邦骨修复材料：采用世界最先进的3D打印技术制作，具有国际领先的仿生空间三维空间结构设计，形成符合骨细胞进入、增殖、分化、新生血管长入、代谢产物交换等多元化生态需求的生物微结构，是至今唯一具有植入材料降解与新生骨生长速率最佳匹配的骨修复产品。

背景：Bio-oss骨粉、奥邦骨修复材料均为常用的骨修复材料，但其对兔股骨缺损后修复效果的系统性评价鲜有报道。
目的：利用同步辐射显微断层成像技术和组织病理学染色相结合，系统评价Bio-oss骨粉和奥邦骨修复材料修复骨缺损的效果。
方法：采用随机数表法将32只大白兔随机分为对照组(n=12)与实验组(n=20)，均于一侧股骨体部外侧面建立2个大小为4 mm(洞空直径)×
6 mm(洞孔深度)的洞穿型骨膜骨质缺损，对照组填充生理盐水，实验组其中一个骨缺损部位植入Bio-oss骨粉，另一骨缺损部位植入奥邦骨修复材料。术后8周，通过大体观察、影像学、组织病理学检测评价2种材料修复材料的修复效果。
结果与结论：①大体观：术后8周，实验组骨损伤修复区伤口愈合良好，未见感染、化脓等症状，动物行动能力显著优于对照组；②影像学检查：术后8周同步辐射显微断层成像，Bio-oss骨粉植入后骨粉周围存在大量的新生骨组织，骨缺损空腔较大，未被新生骨组织完全填充；奥邦修复材料植入后可见骨缺损腔内围绕修复材料形成了大量的新生骨组织；三维重建显示，两种骨填充材料都能与局部骨创面组织接触，促进周围成骨分化成新生骨组织和血管形成，达到骨修复效果，其中奥邦骨修复材料周围新生骨与周围骨组织连接更紧密。256 iCT
扫描显示，奥邦骨修复材料侧术后8周CT值高于Bio-oss骨粉侧(P < 0.05)；③组织病理学：术后8周苏木精-伊红染色显示，Bio-oss骨粉侧骨粉周围可见新生骨组织，奥邦骨修复材料侧材料周围可见由骨基质形成的骨组织，新生骨组织完整、连贯，已有部分新生骨侵入到奥邦骨粉材料内部；④结果表明，奥邦骨修复材料能促进新生骨的生成和损伤修复；同步辐射显微断层成像技术与传统的苏木精-伊红染色相呼应，是评价骨粉修复成效的良好方法。

https://orcid.org/0000-0002-4518-390X(孙莲莲)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 骨修复材料, 奥邦骨修复材料, Bio-oss骨粉, 股骨缺损, 组织工程, 同步辐射显微断层成像技术

Abstract: BACKGROUND: Bio-oss bone powder and Aobang repair materials are commonly used bone repair materials, but there are few reports on their systematic evaluation of the repair effect of rabbit femoral defect.
OBJECTIVE: To systematically evaluate the repair effects of Bio-oss bone powder and Aobang repair materials on femoral defects by using synchrotron-radiation-based micro-computed tomography and histopathological staining.
METHODS: Thirty-two rabbits were randomly divided into the control group (n=12) and the experimental group (n=20) by the random number table method. Two holes with a size of 4 mm (the diameter of the cavity) × 6 mm (hole depth) of penetrating periosteal bone defect were established on the lateral surface of one side of the femoral body. The control group was filled with normal saline. In the experimental group, Bio-oss bone powder was implanted in one of the bone defects, and Aobang repair material was implanted in the other bone defect. After 8 weeks, the effects of the two kinds of bone repair materials were evaluated by visual observation, imaging analysis and histopathological examination.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) General view: 8 weeks after the operation, the wounds in the repaired area of bone injury in the experimental group healed well; no infection, suppuration or other symptoms were found, and the animal mobility was significantly better than that of the control group. (2) Imaging examination: synchrotron-radiation-based micro-computed tomography 8 weeks after the operation exhibited that after the implantation of Bio-oss bone powder, there was a large amount of new bone tissue around the bone powder, and the cavity of the bone defect was large, which was not completely filled by the new bone tissue. After the implantation of the Aobang repair material, a large amount of new bone tissue at the bone defect cavity was formed around the repair material. 3D reconstruction showed that both bone filling materials could contact with local bone wound tissue, promote the surrounding osteogenesis to differentiate into new bone tissue and blood vessel formation, and achieve bone repair effect. The new bone around the Aobang repair material was more closely connected with the surrounding bone tissue. 256 iCT scan showed that the CT value of the Aobang repair material side at 8 weeks after operation was higher than that of the Bio-oss bone powder side (P < 0.05). (3) Histopathology: At 8 weeks after operation, hematoxylin-eosin staining showed that new bone tissue could be seen around the side of the Bio-oss bone powder. Bone tissue formed by bone matrix could be seen around the Aobang repair material; the new bone tissue was complete and coherent, and some of the new bone had invaded into the Aobang repair material. (4) These results suggest that Aobang repair material can promote the formation of new bone and damage repair; synchrotron-radiation-based micro-computed tomography echoes the traditional hematoxylin-eosin staining, and it is a good method to evaluate the effect of bone powder repair.

Key words: bone repair material, Aobang repair material, Bio-oss bone powder, femoral defect, tissue engineering, synchrotron-radiation-based micro-computed tomography

中图分类号:

孙莲莲, 刘永超, 王志兴. 同步辐射成像比较两种不同骨修复材料修复兔股骨缺损的效果[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(21): 3343-3348.

Sun Lianlian, Liu Yongchao, Wang Zhixing. Repair effects of two kinds of bone repair materials on rabbit femoral defects compared using synchrotron-radiation-based micro-computed tomography[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3343-3348.

图/表（结果） 6

2.1 实验动物数量分析 12只对照组动物术后活动受限，骨形成不良，在特定时间点取材时股骨碎裂，不具备完整的股骨结构以进行CT成像和病理切片分析。术后8周时可见实验组骨损伤修复区伤口愈合良好，未见感染、化脓等症状，动物行动能力显著优于同时期对照组。
2.2 两种材料修复骨缺损后的SR-μCT技术成像结果经Bio-oss骨粉填充后，骨粉周围存在大量的新生骨组织，见图3A-C，然而骨缺损空腔较大，未被新生骨组织完全填充。与之相比，奥邦骨修复材料植入后骨缺损腔内围绕修复材料形成了大量的新生骨组织，见图4A-C，说明以奥邦骨修复微粒为支撑，能促进新生骨的生成和损伤修复，图4C中可见奥邦骨修复材料颗粒内部也形成了较为致密的新生骨结构。

2.3 两种材料修复骨缺损后的SR-μCT的三维重建利用SR-μCT的三维重建功能显示2种材料修复后8周时新生血管和骨的共定位效果。SR-μCT在骨修复材料骨再生微观结构成像上具有的显著优势，其可以在清楚观察骨再生微观形态的基础上，结合三维可视化技术从三维视角观察新生类骨质和血管的微观结构。结果显示，不论Bio-oss骨粉还是奥邦骨修复材料，都能与局部骨创面组织接触，进而促进周围成骨分化成新生骨组织和血管形成，致使骨缺损区最终被新骨完全取代，达到骨修复效果，其中奥邦骨修复材料由于能与创面骨组织接触更充分，其周围新生骨与周围骨组织连接更紧密，如图5所示。

2.4 两种材料修复骨缺损后的CT值结果显示，两种修复材料的CT值均呈增加趋势，在相同取材时间奥邦骨修复材料组的CT值高于Bio-oss骨粉组，尤其在8周时奥邦骨修复材料组的CT值显著高于Bio-oss骨粉组，见图6。CT值越高说明该物体密度越高，可见奥邦骨修复材料组新生骨的密度更高。

2.5 两种材料修复骨缺损后的组织学染色结果术后8周时，Bio-oss骨粉组修复材料周围可见新生的骨组织(图7A)；奥邦骨修复材料组修复材料周围可见由骨基质形成的骨组织，新生骨组织完整、连贯，已有部分新生骨侵入到奥邦骨修复材料内部(图7B)，可见奥邦修复组新生骨组织更加紧致、完整，由于新生骨不断生长、填充，已有部分移植物缺损、崩解，说明奥邦骨修复材料促成骨作用相比于Bio-oss骨粉更具有优势。由于对照组骨修复不良，取材后股骨碎裂，无法进行CT成像、组织固定和切片，故结果中未体现。

2.6 骨修复材料的组织相容性由影像学与组织学检测结果可知，Bio-oss骨粉和奥邦修复材料均具有良好的组织相容性。

参考文献

[1] GÜLER-YÜKSEL M, HOES JN, BULTINK IEM, et al. Glucocorticoids, Inflammation and Bone. Calcif Tissue Int. 2018;102(5):592-606.
[2] TAN B, TANG Q, ZHONG Y, et al. Biomaterial-based strategies for maxillofacial tumour therapy and bone defect regeneration. Int J Oral Sci. 2021;13(1):9.
[3] 魏晨旭,何怡文,王聃,等.组织工程学中骨修复材料的研究热点与进展[J].中国组织工程研究,2020,24(10):1615-1621.
[4] LEI F, LI M, LIN T, et al. Treatment of inflammatory bone loss in periodontitis by stem cell-derived exosomes. Acta Biomater. 2022;141: 333-343.
[5] WEN Y, YANG H, WU J, et al. COL4A2 in the tissue-specific extracellular matrix plays important role on osteogenic differentiation of periodontal ligament stem cells. Theranostics. 2019;9(15):4265-4286.
[6] GARCÍA JR, GARCÍA AJ. Biomaterial-mediated strategies targeting vascularization for bone repair. Drug Deliv Transl Res. 2016;6(2):77-95.
[7] TAN B, TANG Q, ZHONG Y, et al. Biomaterial-based strategies for maxillofacial tumour therapy and bone defect regeneration. Int J Oral Sci. 2021;13(1):9.
[8] 陈威,陈志方,张薇,等.奥邦骨修复材料在下颌阻生第三磨牙拔除同期行GBR中的临床疗效?[J].临床口腔医学杂志,2019,35(7): 421-423.
[9] 易刚,杨静,张磊,等.奥邦骨与自体骨治疗跟骨骨折骨缺损的比较[J].中国矫形外科杂志,2019,27(8):706-711.
[10] ZHUANG G, MAO J, YANG G, et al. Influence of different incision designs on bone increment of guided bone regeneration (Bio-Gide collagen membrane +Bio-OSS bone powder) during the same period of maxillary anterior tooth implantation. Bioengineered. 2021;12(1):2155-2163.
[11] 向国昌,蹇雪春.自体碎骨结合Bio-OSS骨粉修复颌骨囊肿术后骨缺损疗效观察[J].中国美容医学,2021,30(4):55-58.
[12] DUAN X, LI N, CHEN X, et al. Characterization of Tissue Scaffolds Using Synchrotron Radiation Microcomputed Tomography Imaging. Tissue Eng Part C Methods. 2021;27(11):573-588.
[13] IZADIFAR Z, CHAPMAN LD, CHEN X. Computed tomography diffraction-enhanced imaging for in situ visualization of tissue scaffolds implanted in cartilage. Tissue Eng Part C Methods. 2014;20(2):140-148.
[14] 周密,郭子宽,张树明,等.兔股骨近端骨性结构的解剖研究[J].军医进修学院学报,2010,31(2):167-168.
[15] SHUE L, YUFENG Z, MONY U. Biomaterials for periodontal regeneration: a review of ceramics and polymers. Biomatter. 2012;2(4):271-277.
[16] WOO HN, CHO YJ, TARAFDER S, et al. The recent advances in scaffolds for integrated periodontal regeneration. Bioact Mater. 2021;6(10): 3328-3342.
[17] SHEIKH Z, HAMDAN N, IKEDA Y, et al. Natural graft tissues and synthetic biomaterials for periodontal and alveolar bone reconstructive applications: a review. Biomater Res. 2017;21:9.
[18] 刘旒,周箐竹,龚桌,等.胶原/无机材料构建组织工程骨的特点及制造技术[J].中国组织工程研究,2021,25(4):607-613.
[19] 瞿向阳,蒋电明,安洪.以钙磷骨水泥为载体重组人血管内皮细胞生长因子与重组人骨形态发生蛋白-2复合体对异体脱蛋白骨修复骨关节缺损的促进效应[J].中国组织工程研究与临床康复, 2007,11(27):5436-5439.
[20] 易刚,张磊,扶世杰,等.双钢板固定结合奥邦植骨材料与自体髂骨植骨治疗复杂胫骨平台骨折的比较[J].中国组织工程研究,2019, 23(16):2486-2492.
[21] DENG D, XU C, SUN P, et al. Crystal structure of the human glucose transporter GLUT1. Nature. 2014;510(7503):121-125.
[22] YUAN Y, KONG F, XU H, et al. Cryo-EM structure of human glucose transporter GLUT4. Nat Commun. 2022;13(1):2671.
[23] FIDALGO G, PAIVA K, MENDES G, et al. Synchrotron microtomography applied to the volumetric analysis of internal structures of Thoropa miliaris tadpoles. Sci Rep. 2020;10(1):18934.
[24] MANZOOR MAP, AGRAWAL AK, SINGH B, et al. Morphological characteristics and microstructure of kidney stones using synchrotron radiation μCT reveal the mechanism of crystal growth and aggregation in mixed stones. PLoS One. 2019;14(3):e0214003.
[25] MA RH, LUO XB, LI Q, et al. The systematic classification of urinary stones combine-using FTIR and SEM-EDAX. Int J Surg. 2017;41:150-161.
[26] XU H, LANGER M, PEYRIN F. Quantitative analysis of bone microvasculature in a mouse model using the monogenic signal phase asymmetry and marker-controlled watershed. Phys Med Biol. 2021;66(12). doi: 10.1088/1361-6560/ac047d.
[27] CHEN Y, ZHANG T, WAN L, et al. Early treadmill running delays rotator cuff healing via Neuropeptide Y mediated inactivation of the Wnt/β-catenin signaling. J Orthop Translat. 2021;30:103-111.
[28] GAUTHIER R, FOLLET H, OLIVIER C, et al. 3D analysis of the osteonal and interstitial tissue in human radii cortical bone. Bone. 2019;127: 526-536.
[29] BERNHARDT R, VAN DEN DOLDER J, BIERBAUM S, et al. Osteoconductive modifications of Ti-implants in a goat defect model: characterization of bone growth with SR muCT and histology. Biomaterials. 2005;26(16):3009-3019.

引言

由于创伤、肿瘤、感染萎缩等原因造成的口腔内骨组织损失，是临床上的常见疾病，骨量的充足与否越来越引起临床治疗的高度重视[1-2]。理想的骨替代材料应具有良好的生物相容性、适中的力学强度、可控制的降解速度并能够被新生骨所取代[3]。最新研究表明，以干细胞为代表的生物活性细胞可以在骨修复过程中分泌活性因子发挥抗炎作用，促进细胞的成骨分化[4-5]。骨粉是一种具有引导骨再生作用的理想材料，他为细胞的生长提供了支架，同时有利于周围细胞的附着和生长，保证了凝血块的稳定和血管再生[6-7]。
Bio-oss骨粉和奥邦骨修复材料是临床上常用的口腔内骨填充材料。Bio-oss骨粉取自牛骨，是经过高温煅烧处理去除免疫原性所得的骨填充材料，其无机骨基质与人类多孔骨具有类似的宏观与微观多孔结构，其多孔结构及天然成分促进植入处新骨的形成与生长。奥邦骨修复材料为采用世界最先进的3D打印技术制作，具有国际领先的仿生空间三维空间结构设计，形成符合骨细胞进入、增殖、分化、新生血管长入、代谢产物交换等多元化生态需求的生物微结构[8-9]，是至今唯一具有植入材料降解与新生骨生长速率最佳匹配的骨修复产品。基于以上特性，两种材料可作为自体骨的替代物用于修复骨缺损[10-11]。
同步辐射显微断层成像技术(Synchrotron-radiation-based micro-computed tomography，SR-μCT)具有高亮度、高准直性、高相干性等特点[12-13]，其精度达到了亚微米级，可实现对细胞的成像，利用多角度获得的X射线衰减数据进行三维重组，可以反映出样品密度的空间分布。此次实验以新西兰兔为研究对象，其股骨大小和强度相当于人牙槽骨[14]，于兔股骨体部外侧用骨钻制备缺损模型，分别利用Bio-oss骨粉和奥邦骨修复材料填充缺损处，8周后采用SR-μCT扫描和传统的组织病理学检测相结合，系统性评价2种修复材料的修复效果，从而为临床上种植时间及移植材料的选择提供依据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计随机对照动物实验，组间差异采用单因素方差分析。
1.2 时间及地点实验于2016年1月至2018年12月完成，在天津市国际生物医药联合研究院动物实验中心完成动物饲养和手术操作，在中科院上海应用物理研究院采集标本
SR-μCT影像，在天津市第五中心医院中心实验室完成组织病理染色和分析，填充骨材料CT值检测在天津市第五中心医院影像科完成。
1.3 材料两种填充物的产品信息，见表1。

1.3.1 填充材料如图1所示，Bio-oss骨粉呈渣状的散在颗粒，奥邦骨修复材料为直径在3 mm左右的球样结构，表面有均匀小孔，中间镂空。

1.3.2 实验药品速眠新(吉林敦化圣达动物药品有限公司)；戊巴比妥钠(上海氟德化工有限公司)；青霉素注射液(河南新乡华星药业)。
1.3.3 实验仪器常规手术器械(兔手术台，手术刀等)；骨钻(上海慧恩医疗器械有限公司)；切片机(湖北孝感阔海医疗科技有限公司)；光学显微镜[徕卡显微系统(上海)贸易有限公司]；SR-μCT成像系统(中科院上海应用物理研究院)；256 iCT扫描仪(Philips)。
1.3.4 实验动物雄性新西兰兔32只，20周龄，体质量2.0-2.5 kg，购于北京海淀区兴隆实验动物养殖场，饲养于天津市国际生物医药联合研究院动物实验中心，动物使用许可证号：SYXK(津滨)2022-0004。饲养环境温度为18-29 ℃，日温差≤3 ℃，相对湿度为40%-70%，12 h明/12 h暗昼夜交替循环采光，动作自由摄食饮水。所有动物均无术区创伤、感染及其他全身疾病，执行《实验动物管理条例》和《实验动物许可管理办法》规定进行实验分笼标准喂养，动物实验术后继续委托其饲养观察。动物实验获得天津市第五中心医院伦理委员会批准。
1.4 实验方法
1.4.1 实验分组采用随机数表法将32只新西兰兔随机分为对照组(n=12)与实验组(n=20)，均于一侧股骨体部外侧面建立2个大小为4 mm(洞空直径)×6 mm(洞孔深度)的洞穿型骨膜骨质缺损，对照组植入明胶海绵，实验组其中一个骨缺损部位植入Bio-oss骨粉，另一骨缺损部位植入奥邦骨修复材料。
1.4.2 动物模型制备与分组处理测量兔体质量，以速眠新0.1 mL/kg肌肉注射，3%戊巴比妥钠0.3 mL/kg耳缘静脉注射麻醉。待全身麻醉药物生效后，将兔固定于专用手术台，保持其呼吸道通畅。取侧卧位固定，采用四肢固定方法，动物右单侧股骨术区备皮，常规碘伏及体积分数75%乙醇消毒，铺巾。于术区皮下注射20 mg/L利多卡因2 mL，切开皮肤、皮下组织，仔细剥离附着组织及骨膜后，暴露左侧股骨干骺端外侧面，选择该区为缺损制备区，在滴水降温环境下，于股骨体部外侧面用骨钻制备出上下并列的2个大小为4 mm(洞空直径)×6 mm(洞孔深度)的洞穿型骨膜骨质缺损，无菌生理盐水冲洗创面，实验组每只动物一个缺损内于缺损底部平铺一层Bio-oss骨粉，另一缺损内填入1粒奥邦骨修复材料，植入后上表面应与周围骨面平齐，见图2；对照组每只动物2缺损内滴加生理盐水，不植入任何材料。手术结束后分层缝合肌肉，皮下组织及皮肤。待动物苏醒后放回笼中，相同条件常规饲养，术后3 d内每只兔以青霉素80万U肌注预防感染，同时每日清洁创口，术后7 d拆线。
1.5 主要观察指标术后2，4，6，8，10周，对照组随机取2只动物，实验组随机取4只动物麻醉后处死获取标本，行大体和影像学观察。

SR-μCT检测：标本先用于SR-μCT的影像学检查。取术后8周的兔股骨骨缺损模型标本，缺损处组织及邻近骨组织及新生骨组织制作标本，置入体积分数10%中性甲醛中固定，送样到中科院上海应用物理研究院上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站进行SR-μCT检查，标本置于SR-μCT 系统的测试管内，固定稳固，对样品进行扫描，利用SR-μCT分析软件进行数据分析，分析新生骨质的生长及骨缺损的修复情况。
CT值：取不同时间点的样品将其置于256 iCT扫描仪，测算术后2-8周两种材料填补于骨缺损处新骨的CT值。
组织学观察：SR-μCT的影像学检查之后的样品用5%硝酸脱钙1-3周，进行组织学标本的制作和苏木精-伊红切片染色。
1.6 统计学分析以上数据运用SPSS 25.0统计学软件进行分析，不同时间点及两组数据的均值比较采用单因素方差分析，数据结果表示为x±s，当P < 0.05时差异有显著性意义。该文统计学方法已经天津医科大学统计学专家审核。

讨论

口腔的骨组织需承担咀嚼功能，故要求骨移植材料具有良好的力学性能，且材料应与周围组织的力学性能相似。口腔骨组织工程支架材料需要良好的生物相容性及细胞相容性；具备体内合适降解速率；无细胞毒性，有特定的生物活性利于细胞有效黏附，并可以介导细胞间信号传导利于诱导新骨形成等特性。传统的牙槽骨植骨一般是将植骨与引导型组织再生术联合应用，植入的骨性材料可防止引导型组织再生术中膜的塌陷[15-17]，并作为支架利用于再生细胞的生长，发挥植骨和引导性组织再生的共同优势，进一步提高再生治疗的效果[18]。
此次实验以兔的股骨损伤模型模拟牙槽骨损伤，探讨了Bio-oss骨粉和奥邦骨修复材料的修复效果，实验结果显示，奥邦骨修复材料植入8周后新骨CT值均高于同期Bio-oss 骨粉植入后的新生密质骨密度。由于奥邦骨修复材料具有骨生物诱导性仿生三维空间构相，形态完整，是由硅、钙磷氧镁钠元素组成的多孔非晶态材料骨修复材料，植入体内后可与局部骨创面组织接触，促进新骨生成。术后8周新生骨部位经苏木精-伊红染色后观察到，原本连续的奥邦骨修复材料中出现了空洞并长出了新生骨组织，可见奥邦骨修复材料的降解速率与人体骨修复速率相匹配，新生骨组织可以将骨修复材料逐渐取代和崩解，最终融为一体形成牢固的骨组织，进而达到良好的骨修复效果[19]。奥邦骨修复材料使用3D打印技术制备，因此具有合适的微孔支架结构，能更好地满足孔隙之间的相互连通，有利于新生组织可长入孔内，相互结合，形成新骨。奥邦骨修复材料孔隙率越高，越有利于成骨细胞在支架孔内的黏附，其化学性能符合骨组织工程支架材料的要求，并且优于Bio-oss骨粉等传统材料。在动物实验中，术后8周可见奥邦骨修复材料的降解趋势，提示其良好的力学性能及生物相容性具有临床应用价值。目前市场上有适用于不同组织的不同孔径和大小的填充材料，同时跟踪临床上骨骼修复材料的修复效果，越来越多的临床研究证明奥邦骨修复材料具有一定的优势[20]。
此次实验初步探讨了SR-μCT技术在骨移植材料骨再生微观结构成像上的应用。上海光源(Shanghai Synchrotron
Radiation Facility，SSRF)即为一台高性能的第三代同步辐射光源，该工程包括三大加速器，由中国科学院上海应用物理研究所承担建造，于2009年4月完成调试并向用户开放。上海光源具有几十条可向用户开放的光束线，同时建立了上百个科学实验站，可应用于中国生命科学、环境科学、材料科学、信息科学等诸多学科的科学研究。例如清华大学医学院颜宁教授研究组，成为世界上第一个解析出人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的三维晶体结构的科学家[21-22]。
SR-μCT技术不仅能将致密骨骼进行清晰成像，还能有效显示骨骼周围的血管、新生骨及结蹄组织成像。在发育生物学中，有研究报道了该技术观察蝌蚪内部的发育过
程[23]。此外，同步辐射SR-μCT在肾结石的形态特征和微观结构的研究中得到了比较成功的应用，MANZOOR等[24-26]揭示了混合结石中晶体生长和聚集的机制。另有研究报道了
SR-μCT算法在小鼠模型中研究骨骼和附着血管微观结构的有效性，因此与传统的X射线和CT相比，SR-μCT更适合动态追踪骨骼及周围成分的再生修复的全过程。目前针对此实验技术在骨愈合过程监测的文献报道较多，SR-μCT技术可以在小鼠术后愈合部位的重建修复效果图像中，得到组新生骨骨量、骨小梁数、骨小梁厚度等信息[27-29]。此次实验结合三维可视化技术，从三维视角观察新生类骨质的微观结构，探讨了SR-μCT在骨移植材料骨再生微观结构的成像效果。
此次实验将SR-μCT成像同传统的病理切片进行比较，SR-μCT 图像与传统的病理图像有很好的契合度，病理切片图像证实了SR-μCT所揭示结果的准确性。值得注意的是，这种方法是在不破坏样品的情况下进行的，并且可避免样品降解，同时使临床上跟踪骨骼修复材料的修复效果成为可能。应用SR-μCT技术清晰地观测到了骨移植材料后新生骨的生长过程，奥邦骨修复材料作为一种骨骼缺损后的填充材料，能促进成骨细胞的黏附和小微血管的形成。与之对照，
Bio-oss骨粉由于不具有很强的机械性，不能使骨缺损腔里面的新生骨很好地生长，形成牢固的修复体，SR-μCT结果显示术后8周时Bio-oss骨粉填充部位于创口边缘还有很大空间存在。尽管如此，植入骨粉还是对骨修复和维持骨骼强度有促进作用的，因为未经骨粉填充的对照组兔股骨损伤修复严重不良，以致无法取出具有完整结构的标本组织进行影像和病理学实验。
牙槽骨是人体骨胳系统中唯一特殊的一部分，组织代谢十分活跃，但是由于其在全身所占比例太小，无法通过血液生化指标的检测来反映牙槽骨组织的代谢状况。X射线片虽然可以观察到牙槽骨组织的影像，但是用X射线影像作为检测指标又太迟钝。相比之下，SR-μCT的三维重建技术提供了丰富的可视化信息，使研究骨骼再生的三维微观结构成为可能。尽管目前对SR-μCT分析及研究还比较有限的，但随着新型的桌面高通量X射线光源的成功研制，相信这项技术将很快会被商业化并具有广阔的应用前景。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

同步辐射成像比较两种不同骨修复材料修复兔股骨缺损的效果

Repair effects of two kinds of bone repair materials on rabbit femoral defects compared using synchrotron-radiation-based micro-computed tomography

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[1]	孙可欣, 曾今实, 李佳, 蒋海越, 刘霞. 力学刺激提高生物3D打印软骨构建物基质的形成[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(在线): 1-7.
[2]	徐星星, 文超举, 孟茂花, 王勤英, 陈镜桥, 董强. 口腔种植中的碳纳米材料[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 1062-1070.
[3]	杨怡天, 王璐, 姚蔚, 赵彬. 生物支架与巨噬细胞在骨再生中的相互影响及应用[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 1071-1079.
[4]	李诚, 郑国爽, 蒯贤东, 于炜婷. 海藻酸盐支架修复关节软骨[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 1080-1088.
[5]	史业弘, 王成, 陈世玖. 小口径人工血管的早期血栓形成与预防[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 1110-1116.
[6]	唐昊天, 廖荣东, 田京. 压电材料修复骨缺损的应用及设计思路[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 1117-1125.
[7]	许言, 李平, 赖春花, 朱培君, 杨烁, 徐淑兰. 血管化骨再生中压电生物材料的应用[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 1126-1132.
[8]	李欣悦, 李熙恒, 毛天娇, 唐亮, 李江. 三维培养人牙周膜干细胞的形态、活性及成骨分化能力[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(6): 846-852.
[9]	李晓寅, 杨晓青, 陈淑莲, 李正超, 王梓琪, 宋震, 朱达仁, 陈旭义. 胶原/丝素蛋白支架联合神经干细胞治疗创伤性脊髓损伤[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(6): 890-896.
[10]	袁博, 谢利德, 付秀美. 许旺细胞源性外泌体促进损伤周围神经的修复与再生[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(6): 935-940.
[11]	秦宇星, 任前贵, 李子龙, 全嘉星, 沈佩锋, 孙韬, 王浩宇. 骨微血管内皮细胞在股骨头坏死中的作用机制及前景[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(6): 955-961.
[12]	熊波涵, 余洋, 卢晓君, 王旭, 杨腾云, 张瑶璋, 廖欣宇, 周晓翔, 何璐, 李彦林. 促进前交叉韧带重建腱骨愈合的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(5): 779-786.
[13]	张敏, 张晓明, 刘童斌. 柚皮苷在骨组织再生领域的应用潜力[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(5): 787-792.
[14]	宗明锐, 刘海燕, 李冰, 武秀萍. 羧甲基壳聚糖在口腔组织工程中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(3): 447-452.
[15]	程明光, 张超宇, 庄康乐, 阮鹏, 左逸, 周正春, 孔祥, 葛建军, 程光存. 体外构建Stanford A型主动脉夹层3D三维动态模拟图及个体化组织工程血管[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(3): 335-338.