利用磁粒子成像技术实现植入式磁性水泥的实时、非电离三维成像

《Advanced Materials Interfaces》：Enabling Real-Time, Non-Ionizing 3D Imaging of Implantable Magnetic Cements Using Magnetic Particle Imaging

磁粒子成像（MPI）是一种非电离的三维成像技术，具有亚秒级时间分辨率。本研究通过在商用树脂水泥表面沉积连续铁薄膜，首次实现了MPI信号的方向依赖性，从而可无创追踪植入物的空间位置与取向。实验表明，铁薄膜厚度约60 nm，未破坏水泥的细胞相容性，且在0°-45°范围内信号强度与角度呈显著正相关。该技术为植入材料的长程监测提供了新方法，尤其适用于解剖受限区域的精准评估。

　　磁共振成像技术（Magnetic Particle Imaging, MPI）作为一种非电离的断层成像方法，因其卓越的时间分辨率和高对比度的成像能力而受到广泛关注。MPI能够在实时3D成像中达到高达46体积/秒的分辨率，这使其成为一种极具潜力的工具，特别是在需要频繁、安全且动态评估的植入材料监测领域。然而，将磁响应特性整合到医疗材料中，同时保持其结构和生物相容性，一直是该技术面临的主要挑战之一。本研究首次提出了一种策略，通过在商业可植入树脂水泥表面沉积连续的铁薄膜，使其能够产生MPI信号。这种结构化的磁性层引入了方向性磁各向异性，从而导致MPI信号对角度的依赖性。这种方向性依赖性可以被用来非侵入性地追踪植入物的位置和方向，这在某些解剖结构受限的区域中尤为重要。体外实验确认了铁薄膜的加入不会影响细胞相容性，表明这种磁性涂层可以在不损害材料生物性能的前提下实现MPI成像，从而拓展了MPI在植入材料成像方面的应用范围，特别是在具有方向敏感对比度的领域。

在医学领域，植入式树脂复合材料广泛应用于骨科和牙科领域，支持组织再生和功能恢复。其中，植入式水泥（Implantable Cements, ICs）因其能够适应复杂的缺损几何形状，并直接应用于解剖结构受限的区域而备受青睐。然而，这些材料的长期成功也依赖于对其植入后行为的监测，包括其稳定性以及与周围组织的相互作用。目前常用的成像技术如X射线和微CT虽然在一定程度上可以用于追踪植入材料，但它们依赖于电离辐射，长期或频繁使用可能对健康造成潜在风险。此外，这些技术的时间分辨率有限，通常无法提供植入物动态行为的实时信息，也无法准确反映其空间方向。因此，迫切需要一种既安全又能提供高分辨率、动态信息的成像方法，以更有效地评估植入材料的表现。

MPI作为一种新兴的断层成像技术，具备非电离、高对比度和卓越的时间分辨率等优势，特别是在预临床研究中已显示出高达46体积/秒的性能。MPI能够对磁性示踪剂进行高对比度成像，其核心原理是利用磁场对磁性颗粒的响应特性，通过检测信号的变化来重建物体的三维图像。然而，MPI在实际应用中也面临一些挑战，例如如何将磁性示踪剂与周围组织的背景信号区分开来。通常需要结合其他成像技术，如微CT或磁共振成像（MRI），才能实现磁性颗粒定位与组织形态的精确对应。尽管如此，MPI在生物医学领域的应用潜力巨大，例如在神经成像、心脏成像和细胞追踪等方面已展现出良好的前景。

为了进一步拓展MPI的应用范围，研究人员尝试将磁性纳米颗粒引入聚合物基质中，以实现对微机器人等动态物体的追踪。然而，所有这些定位和追踪策略都依赖于磁性纳米颗粒的各向同性分布，从而导致MPI信号对角度不敏感。因此，本研究的目标有两个：一是基于之前的研究成果，证明商业可植入树脂水泥可以通过MPI进行成像；二是通过在水泥表面沉积连续的磁性薄膜，展示其角度敏感性。我们假设这种涂层能够引入内在的磁各向异性，从而产生方向依赖的MPI信号，使植入物的位置和方向可以同时被确定。这一特性在某些需要精确方向控制的植入场景中具有重要意义，为MPI在组织再生等领域的临床应用铺平了道路。

本研究中开发的磁性水泥（Magnetic Cement, MC）采用了一种三明治结构，由两层商业牙科水泥和中间一层铁基磁性薄膜组成。这种结构设计的目的是在不改变材料原有生物相容性的情况下，为其赋予磁性响应能力。制造过程包括先将第一层水泥铸造并交联，随后在该层表面通过射频磁控溅射技术沉积铁薄膜，最后再覆盖一层相同的水泥，形成完整的三明治结构。最终样品尺寸为1厘米×1厘米×6毫米。这种结构设计不仅确保了磁性薄膜的稳定性和均匀性，还避免了铁层与生理液体的直接接触，从而降低了铁释放和降解的风险，同时保证了MPI信号的有效生成。

为了验证磁性薄膜的性能，我们通过电子显微镜观察了水泥表面的铁薄膜。结果显示，铁薄膜在表面形成了较为平滑的结构，与水泥的粗糙表面形成鲜明对比。通过改变电子束的加速电压，可以观察到铁薄膜的薄层特性：在较低的加速电压下（如5千伏至7千伏），电子束无法穿透铁层，导致水泥的纹理被完全掩盖；而在较高的加速电压下（如20千伏至25千伏），电子束可以穿透铁层，显示出水泥的原始结构。这种对比进一步支持了铁薄膜的连续性和均匀性。此外，通过X射线反射率（XRR）技术对铁薄膜厚度进行了表征，结果表明其平均厚度约为63.9纳米。结合能量色散X射线光谱（EDS）的元素分布分析，我们确认了铁元素在薄膜区域的集中分布，进一步证明了该涂层的均匀性和完整性。

为了评估磁性薄膜对材料生物相容性的影响，我们进行了体外细胞相容性实验。实验使用了MC3T3-E1前成骨细胞，这些细胞被直接接种在含有磁性薄膜的水泥样品上，并在不同时间点（第1、第7、第14和第21天）进行细胞代谢活性检测。结果显示，在第1天，两组样品（含磁性薄膜的MC组和不含磁性薄膜的C组）之间的代谢活性没有显著差异。然而，随着培养时间的延长，MC组的代谢活性显著上升，特别是在第14天和第21天时，其代谢活性达到了超过100%的水平。相比之下，C组的代谢活性则基本保持不变。这一结果表明，磁性薄膜的引入可能促进了细胞的增殖和代谢活动，而不会对细胞造成毒性作用。此外，我们还通过荧光显微镜观察了细胞的存活状态，发现MC组的细胞在第21天时呈现出更密集的分布和良好的形态，进一步支持了其良好的生物相容性。

为了研究磁性薄膜对MPI信号的影响，我们对磁性水泥在不同角度下的磁响应进行了实验。结果表明，当外部磁场方向与铁薄膜表面平行时，磁性水泥的信号强度较高，而在磁场方向与薄膜表面垂直时，信号强度显著降低。这一现象说明，磁性薄膜的各向异性特性会导致MPI信号随角度变化而变化，从而实现对植入物方向的非侵入性追踪。我们进一步通过MPI扫描实验验证了这一现象，发现当样品与外部磁场方向成45度角时，信号强度的变化最为显著。这一方向依赖的MPI信号为植入材料的实时监测提供了新的可能性，特别是在需要精确方向控制的临床场景中，如在某些解剖结构受限的区域进行植入。

此外，我们还利用MPI系统对磁性水泥进行了3D重建实验。实验结果表明，MPI系统能够有效区分不同角度下的信号强度，从而在非侵入性条件下追踪植入物的位置和方向。值得注意的是，MPI系统对铁薄膜的成像仅限于其表面，而不会对底层水泥结构进行直接成像。因此，为了实现对植入物方向的准确监测，需要确保水泥和铁薄膜作为一个整体保持其几何形状不变。这一假设在实际应用中是合理的，因为大多数植入材料在植入后具有良好的长期稳定性和形状保持能力。然而，随着时间的推移，植入物可能会发生移动或倾斜，而磁性薄膜的各向异性信号可以用于实时监测这些变化，从而确保早期发现植入物的迁移或偏移。

本研究的创新点在于首次将磁性薄膜应用于可植入树脂水泥，并展示了其在MPI成像中的角度敏感性。这一发现不仅拓展了MPI在植入材料监测中的应用范围，还为实现无辐射、高时间分辨率的植入物动态评估提供了新的方法。此外，这种表面工程策略具有较高的可操作性，可以在不影响材料生物相容性的前提下，通过简单的涂层工艺实现磁性增强。因此，这种技术有望成为未来植入材料监测的重要工具，特别是在需要频繁、动态评估的临床场景中。

本研究的实验方法包括材料制备、磁性薄膜沉积、体外细胞相容性评估以及磁性性能测试等多个环节。在材料制备过程中，我们使用了商业牙科水泥，并通过精确的铸造和交联工艺确保其均匀性和稳定性。随后，通过射频磁控溅射技术在水泥表面沉积铁薄膜，这一过程在ISO 7级洁净室中进行，以避免污染。沉积后的样品被再次覆盖一层相同的水泥，形成三明治结构，确保磁性薄膜的完整性。为了进一步验证磁性薄膜的性能，我们进行了电子显微镜和X射线反射率分析，确认了薄膜的厚度和均匀性。同时，通过体外细胞实验，我们评估了磁性薄膜对细胞活性的影响，结果显示其对细胞增殖和代谢具有促进作用，而不会造成毒性反应。

在磁性性能测试中，我们利用振动样品磁强计（VSM）和磁性粒子光谱仪（MPS）对磁性水泥在不同角度下的磁响应进行了分析。结果表明，磁性水泥的磁化行为具有明显的角度依赖性，其信号强度随着磁场方向与薄膜表面之间的夹角而变化。这一特性使得MPI能够实现对植入物方向的非侵入性监测，而无需额外的成像技术。通过MPI扫描实验，我们进一步验证了这一方向敏感性的存在，发现当样品与外部磁场方向成45度角时，信号强度的变化最为显著。这一发现为未来在临床中利用MPI技术监测植入物方向提供了理论依据和实验支持。

在3D重建实验中，我们利用了基于梯度场的MPI扫描技术，对不同角度下的磁性水泥样品进行了成像。实验结果显示，当磁场方向与薄膜表面平行时，信号强度较高，而当磁场方向与薄膜表面垂直时，信号强度显著降低。这一现象表明，MPI信号的强度与磁性薄膜的方向密切相关，从而可以用于追踪植入物的实时位置和方向。通过调整扫描角度和迭代次数，我们能够获得高质量的3D图像，其空间分辨率达到了2毫米，能够在短时间内完成对植入物的动态监测。

综上所述，本研究首次将磁性薄膜应用于商业可植入树脂水泥，并展示了其在MPI成像中的角度敏感性。这一创新不仅拓展了MPI在植入材料监测中的应用范围，还为实现无辐射、高时间分辨率的动态评估提供了新的方法。通过表面工程策略，研究人员能够在不影响材料生物相容性的前提下，赋予其磁性响应能力，使其能够被MPI系统实时监测。这一技术有望在未来的医学影像和植入材料领域发挥重要作用，特别是在需要精确方向控制的临床场景中。同时，这种技术的推广和应用也将为微创监测植入材料提供新的思路，有助于提高临床诊断和治疗的精准度。