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X-Spectrum探测器用于骨折的修复

2021-02-26 10:12:51
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   当外科医生修复骨折时,他们通常使用钢板、螺钉或钉子固定。这些临时植入物通常由金属或聚合物制成,需要在骨折愈合后通过手术移除。生物可降解植入物在一段时间后就会分解,可以避免患者进行第二次手术。最重要的是,他们可以支持康复过程。镁合金是很有希望的候选材料,因为镁是天然存在于人体内的;它对骨骼生长有刺激作用,具有类似骨组织的弹性特性。为了安全地应用这种植入物,科学家们需要了解骨骼与退化的植入物之间的相互作用。这是通过观察在骨和植入物之间的界面形成的所谓纤维的纳米级骨组织构件来实现的。原纤维由胶原蛋白和羟基磷灰石血小板(HAP)组成,其厚度、取向和晶格参数可以用x射线研究。

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皮质骨的亚显微结构。骨单位形成皮质骨,骨单位由骨板包围的Harvesian管组成。这些纤维由成束的原纤维组成,也就是所谓的纤维外基质。原纤维则是胶原和羟基磷灰石血小板(HAP)的复合结构


实验装置

   这项研究的研究者是来自Helmholtz Zentrum Geesthacht(HZG,德国)的Berit Zeller-Plumhoff,她和她的国际团队的研究目标是要比较在临床上已经使用的两种不可降解植入物(钛和聚醚醚酮,PEEK)的骨显微结构在在两种镁钆合金周围形成的组织(Mg-10Gd和Mg-5Gd,分别含10%或5%重量百分比钆)。他们将材料的螺钉植入大鼠体内,并在愈合4周、8周和12周后沿植入轴取薄切片。

在德国电子同步加速器(DESY) P03纳米聚焦端站,采用小角x射线散射(SAXS)和x射线衍射(XRD)实验对样品进行分析。为了进行XRD实验,他们在离焦点18-19厘米的flight tube旁边放置了一个LAMBDA 750k探测器。“我们选择LAMBDA探测器进行XRD实验,因为SAXS设置的flight tube使得样品周围的空间非常有限。高空间分辨率(小尺寸像素)和紧凑的探测器设计使我们能够将探测器定位在靠近样本的位置。因此,我们可以以高分辨率和高质量测量羟基磷灰石晶体的x射线衍射信号。”根据收集到的图像,研究小组确定了植入物周围不同区域的晶体大小和晶格间距;SAXS的结果用来检索HAP的取向和厚度。  


装置PETRA III, 德国电子同步加速器(DESY),P01波束线,NIXS端站
探测器LAMBDA 750k Si detector
分辨率786,432 pixels
采集频率0.2 Hz
光子能量12.8 keV & 13.7 keV


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P03XRD实验装置。在这了展示了LAMBDA 750k提供的更紧凑的结构设计


结果

   在这些实验的基础上,Zeller-Plumhoff 和她的同事们首次发表了可生物降解和常用植入物周围骨骼超微结构的定量比较。他们发现,这四种材料的HAP取向和新形成组织的厚度非常相似。但是,XRD实验结果表明,HAP的晶面间距和晶粒尺寸存在一定差异。在骨组织中,与钛相比,Mg-xGd植入物的间距更小,晶体更小。研究人员推断,分解合金中的镁被纳入了新形成的纤维中,这与之前的研究一致。然而,他们警告说,在所谓的降解层中形成的磷灰石也可能含有钆。钆对健康的影响仍在辩论中,这就是为什么需要进一步研究不同位置磷灰石的元素组成的原因。

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植入12周后,使用光学显微镜对使用Mg-5Gd螺钉的组织的薄切片进行成像。红框显示了相应的薄片的近摄镜。图(右下角)显示了根据XRD测量结果计算出的90 µm x 90 µm区域的晶格间距。


REFERENCE

B. Zeller-Plumhoff, C. Malich, D. Krüger, G. Campbell, B. Wiese, S. Galli, A. Wennerberg, R. Willumeit-Römer, D.C. F. Wieland (2020): Analysis of the bone ultrastructure around biodegradable Mg–xGd implants using small angle X-ray scattering and X-ray diffraction, Acta Biomaterialia 101: 637-645. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.11.030


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