使用正电子发射断层扫描技术对小鼠体内纳米纤维纤维素水凝胶医疗植入物进行纵向监测

《European Journal of Pharmaceutical Sciences》：Longitudinal monitoring of nanofibrillar cellulose hydrogel medical implants in mice using positron emission tomography

纳米纤丝纤维素（NFC）水凝胶结合锆-89（89Zr）标记的脱氧铁胺（DFO*）用于体内稳定性评估。通过PET/CT成像和体外生物分布分析，发现[89Zr]Zr-DFO*-NFC水凝胶在皮下植入后14天保持高局部稳定性，骨组织无显著蓄积，而未结合的[89Zr]Zr-oxalate组显示骨系统性富集。证实化学修饰可显著降低放射性物质迁移，为NFC生物材料开发提供安全性和可追踪性证据。

　　
该研究围绕纳米纤维素（NFC）水凝胶的生物医学应用展开，重点评估了新型放射性标记技术对植入材料体内稳定性和分布特性的追踪效果。研究团队通过创新性地将锆-89（半衰期78.4小时）与二硝基呋喃甲酸胺（DFO*）共价结合至NFC水凝胶，成功实现了植入材料在体内的长期追踪。实验设计包含两组对照研究，通过对比化学交联型与物理混合型放射性标记NFC水凝胶的体内行为，揭示了化学修饰对材料生物相容性的关键影响。

**材料特性与制备创新**
NFC水凝胶作为新型生物材料，具有独特的理化特性：其三维纳米纤维网络由氢键和范德华力维持，既可保持固态又具备可注射性。这种结构特性使其在药物缓释、组织工程等领域展现出潜力。研究通过表面活化技术（EDC/NHS法）将DFO*氨基配体共价修饰至NFC表面，构建了稳定的Zr-89-DFO*-NFC复合物。制备过程中需精确控制DFO*浓度（0.02g/g NFC），以平衡标记效率和生物安全性，这一技术突破显著提升了放射性物质与载体材料的结合稳定性。

**体内追踪与分布分析**
通过PET/CT动态成像发现，化学交联的Zr-89-DFO*-NFC组在植入部位保持了高放射性信号（SUV值稳定在20-30区域），而物理混合组（Zr-89草酸盐+NFC）的植入信号在7天内下降至背景水平。差异化的生物学行为源于化学键合的稳定性：交联型材料中Zr-89与DFO*通过配位键紧密结合，避免了游离放射性物质通过草酸盐形式被骨骼系统富集。研究显示，化学交联型材料在肾脏、肝脏等代谢活跃组织中的残留量仅为0.23%ID/g，显著低于物理混合组的骨骼摄取（12.85%ID/g）。

**生物安全性验证**
动物实验证实NFC水凝胶的生物相容性：所有植入小鼠未出现炎症反应或组织排斥，正常体重增长（5.9周龄，增重约9%）。放射性残留主要集中于植入部位（23.7%ID/g），次级代谢器官如肾脏（0.23%ID/g）、皮肤（0.15%ID/g）的残留量极低，证明材料在体内无系统性释放风险。这与传统水凝胶植入物研究中的异常生物学反应形成鲜明对比。

**技术突破与临床意义**
该研究首次系统验证了Zr-89在NFC水凝胶中的标记效能：通过优化DFO*配体浓度（0.02g/g NFC），实现了98.7%以上的放射性纯度，且标记材料在体外PBS溶液中稳定性达24小时。结合PET/CT与活体成像技术，实现了14天连续追踪，填补了NFC材料长期体内行为研究的空白。临床应用价值体现在两方面：1）化学交联技术使材料具备可控降解特性，可根据临床需求调节水凝胶的维持时间；2）Zr-89的高灵敏PET成像特性，为植入材料的体内实时监测提供了可靠工具。

**未来研究方向**
研究提出需在以下方面深化探索：首先，建立NFC水凝胶的降解动力学模型，结合不同配体浓度（如0.002-0.02g/g NFC）分析材料寿命调控机制；其次，开展疾病模型实验（如肿瘤微环境、慢性伤口）验证材料在病理状态下的生物相容性变化；最后，开发多模态成像（PET/光学/超声）联合分析系统，实现植入材料的三维动态追踪。

该成果为可降解生物材料的临床转化提供了重要技术支撑，特别是为自供氧式植入物、药物缓释支架等创新医疗器械的研发奠定了理论基础。通过放射性标记技术的创新应用，不仅解决了传统水凝胶体内定位困难的问题，更为生物医学材料的安全性评价建立了标准化研究范式。