X射线与中子断层扫描协同评估梯度支架的计算机模拟力学响应与体外生物学行为：一项开创性研究

本研究创新性地结合X射线计算机断层扫描(XCT)和中子计算机断层扫描(NCT)技术，对激光粉末床熔融(LB-PBF)制备的316L不锈钢梯度支架进行同步评估。通过XCT建立精确的有限元(FE)模型预测力学性能，利用NCT检测MG-63成骨细胞行为，实现了支架力学性能与生物活性的协同评价，为减少动物实验依赖提供了新思路。

　　

在骨组织工程领域，金属支架的力学性能和生物相容性评估一直面临重大挑战。传统方法往往需要分别进行力学测试和生物学实验，不仅耗时耗力，还难以实现两种性能的协同优化。更棘手的是，金属支架在X射线成像中会产生伪影，而常规生物学检测方法又无法直观显示细胞在三维支架中的分布情况。这些技术瓶颈严重制约了新型骨修复材料的研发进程。

针对这些问题，来自意大利马尔凯理工大学等机构的研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表了一项创新研究。他们巧妙地将X射线计算机断层扫描(XCT)和中子计算机断层扫描(NCT)两种成像技术相结合，首次实现了对316L不锈钢梯度支架力学性能和生物活性的同步评估。这项研究为骨修复材料的 preclinical characterization（临床前表征）提供了全新思路。

研究人员采用了多项关键技术：通过激光粉末床熔融(LB-PBF)制备具有菱形十二面体单元结构的梯度支架；利用XCT进行三维重建并建立包含制造缺陷的有限元(FE)模型；采用NCT检测MG-63成骨细胞在不同培养条件下的行为变化；结合Alizarin Red Solution(ARS)染色和场发射扫描电镜(FESEM)验证细胞矿化情况。所有样本均在ILL-NeXT光束线站进行同步NCT和XCT检测。

在结构表征方面，研究显示LB-PBF制备的支架主要由γ-Fe(奥氏体)组成，含有少量α-Fe(铁素体)。XCT扫描发现支架实际孔隙率为57%，显著低于设计的75%，这主要归因于制造过程中出现的支柱增厚现象和残留粉末(约8 vol.%)。通过将设计模型与XCT三维重建叠加，研究人员成功识别出融合不足(LOF)等制造缺陷。

在力学性能评估中，研究团队创新性地采用了渐进式建模方法。FEA1基于原始设计模型，FEA2考虑了支柱增厚，FEA3进一步加入了LOF缺陷。结果显示，FEA3模型的预测与实验数据高度吻合，证实支柱尺寸变化会垂直移动应力-应变曲线，而局部缺陷则会改变弹性刚度和平台应力。特别值得注意的是，残留粉末在达到致密化应变(ε > 0.4)前对力学性能影响有限。

在生物学评估方面，NCT的定量分析展现了独特优势。通过分析灰度直方图，研究人员发现：正常培养基(N)和含成骨因子培养基(D)处理的样品在有机峰半高宽(FWHM)上存在显著差异，这归因于D培养基中抗坏血酸引起的非相干中子散射增强。MG-63细胞培养7天后，ARS染色显示D组(#DC)钙沉积量显著高于N组(#NC)，证实支架结构有利于成骨分化。EDS分析进一步检测到钙(Ca)和磷(P)的存在，验证了早期基质矿化。

通过体积兴趣区(VOI)分析，研究发现有机材料主要分布在支架顶部和底部，而中部含量较低。有趣的是，在细胞培养样品中，顶部区域的有机峰强度最高，这与细胞接种位置相符。3D重建图像清晰显示，不同培养条件下形成的有机材料在空间分布和形态上存在明显差异。

这项研究的重要意义在于：首先，建立了XCT指导的支架力学性能预测模型，大幅缩短了研发周期；其次，证实NCT能够区分不同成分的有机材料，为无标记监测细胞行为提供了新方法；最重要的是，这种双模态成像策略实现了支架力学性能和生物活性的同步评估，为优化骨修复材料设计提供了全新研究范式。

研究人员指出，虽然目前结果令人鼓舞，但仍需扩大样本量来进一步验证NCT对生长因子和细胞活动的敏感性。未来工作将探索该方法在不同细胞系和更长培养时间的适用性。这项技术的推广应用有望显著降低实验成本、加速测试流程，并最终减少生物材料研究对动物模型的依赖。