文章图片
文章图片
来源：【高分子材料科学】微信公众号
【背景了解】
水凝胶是一类在3D聚合物网络中存储大量水的软质材料 ， 具有柔韧性 ， 低摩擦力以及小分子和离子的高渗透性 。 双网络（DN）水凝胶 ， 是坚韧水凝胶类别中的代表含有约90 wt％的水 ， 具有与软骨相当的模量 ， 强度和韧性 。 坚韧的水凝胶的发明提供了治疗诸如关节等人体关节受伤组织的新策略 。 软骨 ， 半月板和韧带 ， 使用各种人造组织和植入物诱导组织再生 。 坚韧的DN水凝胶是软支撑组织（如软骨和韧带）的有希望的替代品 。 对于这样的应用 ， 通过医学上可行的方法将水凝胶牢固地固定在骨骼上是必不可少的 。 已经有证明将DN水凝胶牢固地结合到兔的缺损骨骼上是成功的 。 DN水凝胶表面层上包覆的磷酸氢钙氢氧化钙盐的低结晶羟基磷灰石（HAp）导致自发性成骨作用渗透到半透性水凝胶中 ， 形成凝胶/骨复合层 。
【科研摘要】
近日 ， 日本北海道大学Takayuki Nonoyama（译名野山孝之）和华人龚剑萍教授团队将44Ca同位素掺杂的HAp/DN水凝胶植入兔股骨缺损中 ， 并使用同位素显微镜通过追踪钙同位素比来分析凝胶/骨界面的动态成骨过程 。 相关成果Isotope Microscopic Observation of Osteogenesis Process Forming Robust Bonding of Double Network Hydrogel to Bone发表在德国Wiely杂志的《Advanced Healthcare Materials》上 。 DN凝胶表层上杂交的合成HAp在头两周因炎症迅速溶解 ， 然后在凝胶区域开始形成具有梯度结构的未成熟骨骼 ， 从而重新利用溶解的Ca离子 。 这些结果首次揭示了合成的HAp被重新用于成骨 。 这些事实有助于了解可吸收骨骼的材料的寿命 ， 并阐明水凝胶自发 ， 无毒但牢固固定在骨骼上的机制 。
【图文解析】
图1显示了制备44HAp/DN凝胶（图1a） ， 植入并评估植入的HAp在体内成骨作用中的再利用的实验程序的示意图（图1b） 。 圆柱形DN凝胶塞在侧壁侧壁的表面层中杂有44HAp纳米颗粒 ， 被植入双侧股关节兔股沟中形成的骨软骨缺损中 。 在手术后第2、4、6和12周收获具有周围松质骨组织的44HAp/DN凝胶植入物 ， 并将在低温下使用低温恒温器加工的横向平面中14微米厚的切片放置在硅片上 。 解冻和干燥的切片通过金蒸发涂覆 。 用同位素显微镜观察了44HAp/DN凝胶与兔松质骨之间的边界 。
图1. 备植入样品以进行同位素显微镜观察的实验程序 。 a）通过交替浸泡K2HPO4和含有10％44CaCl2的CaCl2来将44HAp涂层涂覆到DN凝胶塞的表面 。 b）将44HAp包被的DN凝胶植入兔髌股的缺损股骨滑车 ， 以及切片样品在横向平面上的示意图和光学显微图像 。
切片标本的光学显微图像显示44HAp/DN凝胶塞的中心圆区域和周围的松质骨（图2） 。在第2周观察到凝胶和骨骼之间有明显的间隙 ， 如图中红色箭头所示（图2a-i） 。 在第4周观察到凝胶和骨骼之间的微小连接 ， 如图中红色箭头所示（图2b-i） 。 几乎没有观察到间隙 ， 并且在6周时大部分接口都已连接（图2c-i） 。 接口在12周时已完全连接（图2d-i） 。 即使是在2周和4周的样品中 ， 也没有观察到大的间隙 ， 因为将直径为4.5 mm的凝胶塞压入所产生的缺陷（内径为4.3 mm）中 。 由于44HAp/DN凝胶塞在边界处的骨组织粘附较少 ， 在切片的干燥过程中出现了间隙 。 随着植入时间的延长 ， 44HAp涂层区域变得不清楚 ， 表明HAp随时间溶解和扩散 。
图2 光学显微图像和同位素显微图像 。 光学显微图像（i） ， 40Ca（ii）和44Ca（iii）映射的原始图像以及在2 a） ， 4 b） ， 6 c）和12 d）处44Ca/40Ca比值（iv）的颜色映射周 。 红色箭头指示骨骼和凝胶之间的边界 。 同位素图像（ii–iv）在红色方块处获取 。 海绵植入的44HAp/DN凝胶的整体光学显微图像是通过重建许多显微图像获得的 。
为揭示植入物HAp在成骨中的再利用 ， 进一步研究了边界周围44Ca / 40Ca的线轮廓 。 由于44HAp逐渐溶解和扩散 ， 因此很难从44Ca/40Ca线轮廓识别凝胶和骨骼之间的初始边界 。 或者 ， 作者使用DN凝胶的PAMPS 1st网络中包含的硫元素来确定初始边界 。 可以肯定的是 ， DN凝胶在如此短的植入时间内不会降解 ， 因此硫的线形不会随时间变化 。 图3a显示了通过同位素显微镜测得的44Ca/40Ca比的线形图 ， 以及通过能量色散X射线光谱法（EDS）在边界区域测得的钙和硫的强度 。 对于在不同植入时间收获的所有样品 ， 均观察到归一化硫强度的急剧下降（红色曲线） ， 这确定了凝胶和骨骼之间的初始边界位置 ， 并在图3a中设置为零位置 。凝胶区域和骨骼区域分别以蓝色和橙色突出显示 。尽管未收集到第2周边界周围的44Ca/40Ca轮廓（黑色曲线）（图3a-i） ， 但从相应的成像数据中推测出相对清晰的线轮廓（图2） 。
推荐阅读
- 操作原子力显微镜，一个具有挑战性的方面是找到最佳反馈参数
- 兵马俑身上为何开出白色“花朵”？专家用显微镜一看，感叹犯错了
- 1克铜就有95万亿亿个铜原子，这么小的微粒是怎么被观察到的？
- 地震到来时，动物会先知道？为何科学家没有用动物预测地震？
- 一个简单的物理实验，却让科学家看到了害怕的结果，怎么回事？
- 30张“活久见”的照片：10万亿的钞票，人腿上移植鱼皮…
- 华林科纳半导体-----在 HF 水溶液中处理的 GaP表面的特性
- 通过原子 Pt 限制降低碳化钒 MXene 的高氢结合强度以实现对 HER 的高活性
- 50年前的NASA成功登月，为何如今却一再推辞，登月技术丢失了？
- 盘点世界6大诡异湖泊，冥河让动物石化，如同美杜莎的诅咒（上）