智能骨板可以监测骨折愈合情况

**智能骨板可以监测骨折愈合情况
骨板模型的实验装置和传感器。(A)在小鼠股骨骨折中嵌入传感器的系统概述,其中损伤用骨板稳定。由Ella Maru工作室创建的图像。(B)传感器制造在聚酰亚胺衬底上,700 μ m2铂(Pt)电极间隔0.5 mm。传感器被固定在骨板的近端,用一根长而柔软的电缆从近端伸出。在电缆的长度上重复蛇形图案,在两个通孔中结束,作为连接测量硬件的连接器。(C)为稳定股骨骨折而植入骨板和固定传感器的开放式手术照片。放置传感器后闭合手术部位。(D)骨折间隙植入Pt传感器的透视图像。信贷:科学报告, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-018-37784-0

骨组织工程学(BTE)是一个不断发展的领域材料科学在生物工程方面,主要研究骨替代材料和骨科诊断方法的开发。目前,医生依靠x光来评估骨折愈合情况,这在骨修复的后期更有用。准确判断骨折修复过程是骨科临床的基本要求,但评估骨折愈合的标准方法仍有待开发。

在最近的一项研究中,加州大学旧金山分校(UCSF)生物工程和骨科系的莫妮卡·林(Monica Lin)及其同事使用活体小鼠骨折模型,提供了微尺度智能的主要证据板植入。这些植入物能够监测术后骨折具有高灵敏度使用电气阻抗光谱学(EIS)集成来跟踪.科学家们固定了老鼠的长骨与外部固定装置和骨板包含传感器首次在实验室的实验研究。研究结果已发表在科学报告

在这项研究中,Lin等人在骨折间隙的两个微电极上进行了EIS测量,以跟踪愈合良好和愈合不良小鼠的纵向差异。科学家们提出了一个等效电路模型结合EIS数据,对骨折修复状态进行分类。他们的测量值与标准定性x射线显微断层扫描(microCT)值密切相关,允许基于频率的技术验证临床相关的操作频率。结果表明,EIS可以结合到现有的临床骨折管理策略,如骨镀。该研究开发的过程最终可以为医生提供关于患者骨折修复状态的定量信息,以指导临床决策。

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外固定架模型的系统概述和传感器。(A)在小鼠胫骨骨折中嵌入传感器的系统概述,其中损伤用外固定架稳定。由Ella Maru工作室创建的图像。(B) 0.25 mm直径的传感器制作在FR4衬底上,带有金(Au)表面电极和腿外连接到测量硬件的大通孔。将传感器植入有0.5 mm和2 mm缺陷的外固定小鼠胫骨。(C)在外固定架模型中植入0.25 mm传感器的开放式手术照片。放置传感器后闭合手术部位。(D)在2mm缺陷处植入0.25 mm传感器的透视图像。(E) 56微米直径的传感器,使用铂(Pt)线组装,记录位置由CO2激光器和线圈暴露,以提供应变缓解。(F)在外固定架模型中植入56微米传感器的开放式手术照片。 Surgical site was closed following sensor placement. (G) Fluoroscopy image of implanted 56 µm sensor in a 0.5 mm defect. Credit:科学报告, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-018-37784-0

肌肉骨骼损伤包括骨折在美国非常普遍.骨折治疗是美国医疗保健系统的一大负担。对骨折愈合进行准确的临床决策;确定骨折的愈合情况是非常必要的。自标准方法来评估骨折愈合情况尚缺乏,目前最常见的两种方法包括放射成像和物理评估。虽然计算机断层扫描(CT),双x线吸收仪(DEXA)和超声可以提供改进的诊断,但由于成本和临床应用的限制更高剂量的辐射.因此,患者依赖于医生的身体检查,但结果是主观的,容易不准确。骨折愈合的生物学过程通过两条途径;膜内(直接)和软骨内(间接)骨化。

骨折修复的早期阶段直到骨矿化阶段才被发现。因此,开发技术来监测骨折愈合开始是一个活跃的学术研究领域。大多数研究都集中在机械反馈这将应变测量与骨强度联系起来。在本研究中,Lin等人建立在先前的研究使用电技术来描述骨折修复的进展。他们工作的基础是一个类比,即生物组织可以被电模拟为电阻性和电容性效应的组合。富含离子的细胞内和细胞外基质传导电荷为电阻,而双层细胞膜可以模拟为电容或恒相元素(CPE)。

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在外固定架模型中,阻抗数据区分愈合和愈合不良的胫骨骨折。组织学切片用Hall’s和brent’s四重染色(HBQ)染色,假染色以帮助解释组织组成。蓝色=软骨,黄色=小梁骨,紫色=纤维/无定形组织。原始红色=皮质骨,黑色/白色区域=骨髓。(A)骨折后14天外固定0.5 mm缺损的代表性组织学切片;骨折间隙被软骨和新的小梁骨明显地连接起来。(B)骨折后14天外固定2mm临界尺寸缺损的代表性组织学切片;骨折间隙以纤维组织为主。(C)用250µm传感器测量的15 kHz电阻(R)在骨折后几天内绘制,用于测量0.5 mm (N = 6)和2 mm (N = 5)缺陷的小鼠。线性回归分析表明,0.5 mm缺陷小鼠与肿瘤间存在显著正相关(p < 0.0001),而2mm缺陷小鼠与肿瘤间无相关关系。 (D) Representative histology section for a healing mouse at 28 days post-fracture; the fracture gap is clearly bridged by cartilage and new trabecular bone. (E) Representative histology section for a poor-healing mouse at 28 days post-fracture; the fracture gap contains an overabundance of fibrous tissue. (F) Black arrow points to 56 µm sensor fully embedded in fracture tissue. (G) Electrical resistance (R) and reactance (X) normalized as a ratio to day 4 plotted over the course of fracture healing at 15 kHz. Normalized R and X both rise steadily over healing time in the healing mice, with stagnant values observed in the poor-healing mice. (H) Normalized R and X as a ratio to day 4 plotted over a range of frequencies at day 7 post-fracture. (I) Normalized R and X as a ratio to day 4 plotted over a range of frequencies at day 28 post-fracture. Marked shifts in frequency response from day 7 were observed in the healing mice, with limited change occurring in the poor-healing mice. Credit:科学报告, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-018-37784-0

科学家们开发并测试了微型EIS传感器,旨在测量裂缝的电学特性愈伤组织在两个小鼠骨折模型的愈合过程中纵向观察。两种模型分别植入骨板或外固定器。Lin等人的工作是第一个将微型传感器直接植入骨折间隙,用于局部测量变化的愈伤组织的研究。他们发现阻抗测量的频谱是稳健的,与骨体积和骨密度的量化测量相关。

Lin等人的长期愿景是使用EIS传感器定量监测愈合进展,并在骨折部位定期测量以评估风险。实现智能植入系统和为医生提供个性化患者信息的潜力是有利的全球骨科器械市场预计到2019年将达到412亿美元。该研究提供了一个原理验证概念,以支持EIS作为患者骨折管理期间临床相关信息的成本效益和简单策略的可行性。

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在骨板模型中,阻抗数据将股骨骨折完全愈合与愈合程度不同的骨折区分开来。组织学切片照常染色、假色。(A)愈合良好的小鼠第26天的代表性组织学切片;一个大骨痂完全连接骨折两端。(B) (B) (A)高倍镜图像,黑色箭头指向电极完全融入新骨小梁。(C) (A)样品的x光片。(D) (A)样品的表面渲染,三维µCT图像。(E) 26天混合愈合的小鼠代表性组织学切片;骨折愈伤组织包括软骨、纤维组织和骨小梁。(F) (F) (E)的高倍镜图像,黑色箭头指向完全嵌入骨痂的电极,周围是新生骨小梁和纤维组织的混合物。(G) (E)中样品的x射线片。(H)表面渲染,(E)中样品的三维µCT图像。(I) R(归一化为与第2天的比率)在骨折后几天以15 kHz绘制。数据标记和线条根据愈合程度着色——红色阴影代表第12天牺牲的小鼠(F1, F2, F3),蓝色阴影代表第26天牺牲的愈合良好的小鼠(F4, F5, F6),紫色阴影代表第26天牺牲的愈合不良的小鼠(F7, F8),棕色阴影代表第26天牺牲的对照组小鼠(C1, C2)。 Normalized R clearly rises at a faster rate in two mice with complete bony calli, F4 and F5. (J) X (normalized as a ratio to day 2) at 100 kHz plotted over days post-fracture. Normalized X clearly rises at a faster rate in two mice with complete bony calli, F4 and F5. (K) Impedance data at all measured frequencies is fit to an equivalent circuit model (inset), and the R2t parameter is extracted, normalized as a ratio to day 2, and plotted over days post-fracture. This analysis is able to clearly distinguish the samples that are classified as union by orthopaedic surgeons. Credit:科学报告, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-018-37784-0

在美国,科学家们首先开发了传感器、小鼠模型和操作程序。然后,他们确定愈合范围,形成安乐死时间点,然后通过组织学染色获得关于愈伤组织组成的信息。由于传感器尺寸较小,科学家们可以确认整个骨折间隙的组织组成,并确定传感器嵌入的确切组织。尽管一些样本中的传感器运动导致过度纤维化,但组织学证据表明,微型电极与骨折组织很好地结合在一起。当适当固定时,植入的传感器不会阻止完全的骨桥接。此后,科学家们测量了小鼠模型愈合过程中骨折愈伤组织变化的阻抗。

在这项研究中,愈合良好的小鼠和愈合不良的小鼠之间的阻抗变化很快。在实验设置中,科学家通过将频率从1千赫改变到100千赫,获得了愈合几天的阻抗谱,这样强健的愈伤组织形成会影响测量结果。Lin等人测量了小鼠模型中的电阻(R)和电抗(X),结果显示愈合良好的骨折参数上升得更快。在表现出明显愈合反应的小鼠中,电阻(R)急剧上升,因为它反映了材料导电的能力。高导电性材料的电阻小,而低导电性材料的电阻大。在这项研究中,科学家们在小鼠骨折模型中观察到从高导电性的血液和软骨组织到导电性较低的小梁和骨骼的转变,从而表明了明确的愈合反应。

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回归分析比较归一化阻抗数据与µCT指数。(A-D) 15 kHz时归一化R与骨体积与总体积之比(BV/TV)、骨密度(BMD)、小梁数量和小梁厚度显著相关。各个标记的颜色与图4I-K中对应的样品相匹配。(E,F)归一化R和BV/TV以及归一化X和BV/TV之间回归分析的合成R2和p值作为频率的函数绘制。显著性设置为p < 0.05(虚线以下)。R和BV/TV之间的显著关系(黄色突出显示)发生在10 kHz到250 kHz之间,X和BV/TV之间的显著关系发生在50 kHz到1 MHz之间。信贷:科学报告, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-018-37784-0。

然后Lin等人测量了研究中的电抗(X)作为能量存储的能力,其中细胞组织具有更高的容量,因此在更高的频率下X更大。由于骨骼含有容性基质层和高度细胞化的骨髓,他们观察到有桥接愈伤组织的小鼠愈合时X急剧上升,而愈合不良的小鼠则有中度变化。结果与先前的研究在尸体和体外小鼠模型。

科学家们将骨折愈合阶段与现有方法进行了全面比较,表明测量结果非常匹配。他们将数据放入等效电路模型中,以结合在整个研究中以不同频率获得的电阻(R)和电抗(X)的影响。总之,Lin等人在研究中使用组织学、x线摄影和显微ct技术进行了完整的分析,以验证局部EIS测量的高灵敏度。该研究显示,在不同的小鼠模型中,EIS与外固定架和骨板结合的价值,具有不同的进展愈合率。

通过这种方式,Lin等人建立了EIS作为一种适合于设计用于骨折愈合的微型智能植入物的技术。这些结果对于转化为更大的动物模型进行进一步研究是有效的,并且很容易修改为现有的临床骨折管理策略。该研究的原理证明为内固定植入物奠定了基础,将来在确定骨折愈合时可用于个性化和指导性的临床护理。


进一步探索

科学家在血细胞中发现了“年轻因子”,它可以加速骨折的修复

更多信息:Monica C. Lin等人。智能骨板可以监测骨折愈合情况,科学报告(2019)。DOI: 10.1038 / s41598 - 018 - 37784 - 0

Saam Morshed。目前确定骨折愈合的方法,医学进展(2014)。DOI: 10.1155 / 2014/708574

Luis A Corrales等人。骨科创伤研究中骨折愈合评估的可变性,骨与关节外科杂志-美国卷(2008)。DOI: 10.2106 / JBJS

G.01580 Luis A Corrales等。骨科创伤研究中骨折愈合评估的可变性,骨与关节外科杂志-美国卷(2008)。DOI: 10.2106 / JBJS.G.01580

期刊信息: 科学报告

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引用智能骨板可以监测骨折愈合(2019年2月25日)检索于2021年5月31日//www.pyrotek-europe.com/news/2019-02-smart-bone-plates-fracture.html
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