《Microchemical Journal》：Beyond moisture quantification: NIR spectroscopy and Aquaphotomics illuminate water-material interactions in allogeneic bioimplants
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近红外光谱与水光子学结合非破坏性评估生物implants水分及相互作用，PLSR模型预测误差5.43%，R20.93，为生产质检提供新工具。
Maria Yaroslavova | Dmitrii Sinitsyn | Nikolay Ryabov | Artem Volov | Larisa Volova | Jelena Muncan | Anna Orlova | Anastasiia Surkova
国际实验室“用于生物医学的混合纳米结构”，ITMO大学，俄罗斯
摘要
同种异体生物植入物（也称为移植物）是再生医学中一类高效且有前景的材料，具有修复受损组织和器官的巨大潜力。本研究探讨了近红外（NIR）光谱与水光子学相结合的方法，用于非破坏性地评估同种异体生物植入物中的水分含量和水分-材料相互作用。我们使用便携式NIR光谱仪分析了矿化和脱矿化的人骨组织植入物，以评估其水分含量。偏最小二乘回归（PLSR）模型显示出可接受的预测准确性，预测均方根误差（RMSEP）为5.43%，R2值为0.93（0–72.6%范围）。水光子学方法揭示了脱水过程中水的分子组织结构，突显了胶原蛋白在干燥过程中的稳定性。这些发现强调了NIR光谱和水光子学作为生物植入物生产和储存质量控制创新工具的潜力，提供了超越简单水分测量的新视角。
引言
再生医学是一门跨化学、物理、生物工程和生物技术的多学科科学领域，旨在开发恢复和替换因疾病、损伤或衰老而失去功能的组织和器官的技术。
细胞技术、生物工程和生物技术的进步促进了新型生物植入物的开发，并将其应用于临床实践，以替换或修复受损的组织和器官。这可以显著改善治疗效果和患者的生活质量。多种类型的材料可用作生物植入物，包括合成材料、异种材料和同种异体材料。合成生物植入物通常由聚合物、水凝胶、无机或混合生物材料组成。异种生物植入物包括从动物身上获取的组织，用于移植到人体内，例如用于制造心脏瓣膜或治疗烧伤和皮肤损伤。然而，需要注意的是，异种组织可能会引起机体的免疫反应，这使其使用变得复杂，需要特别关注。同种异体组织被认为是移植中最有前景和兼容的选择，因为它们来自同一物种的供体（例如一个人到另一个人）。全球有多家公司专门生产基于同种异体组织的生物植入物，包括用于牙科和颌面手术的捐赠人骨生物材料制造商，以及从传统骨和软组织到专用移植产品的各种外科移植物。任何生物植入物在临床使用前和在组织库的生产阶段都应经过彻底测试和标准化。
冻干生物植入物中残留水分的测定是生产过程和储存阶段评估其质量的关键标准。最终产品的水分含量由材料生产商的技术文件规定，通常不应超过5–10%，具体取决于材料类型；而在生产和使用过程中，水分含量可能达到约60%。准确测量生物材料中的水分含量至关重要，因为水分含量会显著影响其物理化学性质、机械强度、耐用性和整体制造过程。生物聚合物中的过量水分可能导致各种问题，包括粘附性下降、尺寸和形状变化、机械性能丧失以及其他负面效应。此外，水分含量还强烈影响样品中生物活性物质的稳定性和保质期。因此，确保适当的湿度条件有助于在室温下安全储存样品，并便于运输。
在控制生物植入物中水分含量的众多技术中，热重分析是最广泛使用的方法之一。该方法需要将样品从包装中取出并干燥至达到恒定质量。干燥过程耗时较长，且干燥后的样品不适合直接用于医疗实践。因此，可以通过热重分析法检查一批样品中的一个或多个样品的水分含量。因此，开发一种新型的非破坏性且快速的同种异体生物材料水分含量控制方法至关重要，以便在生产过程和储存过程中进行分析。此外，在分析过程中避免打开样品的保护包装也非常重要。
近红外（NIR）光谱作为一种可靠的分析工具，在科学、技术和工业领域的各种过程中得到广泛应用，因为它能够进行快速、非破坏性和经济有效的分析。近红外（NIR）区域（780–2500 nm）的吸收主要源于分子键的 overtone 和组合振动，其强度通常比中红外（mid-IR）区域的吸收要弱得多。多变量数据分析方法（通常称为化学计量学）在从NIR光谱数据中获取相关信息方面起着关键作用。目前，正在开发便携式NIR光谱仪，以实现现场快速测量。这些设备能够穿透多种包装材料（包括塑料和玻璃）进行非破坏性分析，无需直接接触样品或样品预处理。这一能力在食品和制药等行业具有重大价值，因为在生产的多个阶段对材料（原材料、半成品或最终产品）进行非破坏性和无损质量控制至关重要。此外，通过包装进行快速测量的能力对于检测食品掺假物和禁止物质尤为重要，从而提高这些关键领域的安全性和合规性。
NIR光谱包含关于水分子结构的丰富信息，特别是在OH伸缩带的第一 overtone 区域（1300–1600 nm）。在这方面，NIR光谱可以有效地估计各种产品的水分含量。其应用范围广泛：在食品工业中，用于控制面粉和谷物的水分含量；在制药工业中，用于分析粉末和片剂的水分含量；在农业中，用于确定种子和土壤的水分含量；在工业过程中，用于评估工业木质燃料的质量。在这项工作中，我们首次证明了NIR光谱可用于分析同种异体生物植入物，并能够量化其水分含量。
水光子学是分析NIR光谱的一个有前景且不断发展中的领域。该学科专注于理解在各种扰动条件下水在各种生物和水系统中的状态。在水光子学框架内，水被视为一个动态分子系统，与不同生物分子相互作用并形成氢键，为所研究对象的状态提供了宝贵的见解。值得注意的是，在第一 overtone 区域，研究人员识别出了水矩阵坐标（WAMACs）——对应于特定水分子种类的吸收带，即水分子构象或结构，这些坐标对生物分子组成、溶质含量或环境条件的变化非常敏感。这些动态变化使WAMACs成为评估生物和生化过程的宝贵指标。水光子学在多个行业中有广泛应用，特别是在食品工业中，用于检测掺假产品、评估肉类质量以及优化水果和蔬菜的干燥过程。此外，它还用于水质监测，提供确保水源安全和清洁的关键数据。在农业中，水光子学技术已被证明有助于监测水稻种子的储存、检测感染和分类土壤类型。然而，在生物医学领域，水光子学的应用迄今仍有限。值得注意的研究主要集中在兽医医学领域，并针对糖尿病、骨关节炎、肠道疾病和癌症诊断等疾病的早期诊断。还有一些研究关注生物材料，特别是用于隐形眼镜的水凝胶，该方法可以检测各种因素，包括材料的状态、水分含量的变化以及其他影响性能和功能的关键属性。尽管研究有限，但水光子学在生物医学领域的潜力代表了未来探索和创新的重大方向。
虽然NIR光谱常用于确定水分含量，但更深入地理解水在第一 overtone 区域的吸收带可以提供更全面的见解。虽然水分百分比具有信息性，但它只是材料状态的一个方面。通过更好地解释水的吸收特征，我们可以间接获取有关材料本身的信息，如其结构完整性、与其他组分的相互作用及其动态——所有这些都可以从相同的NIR光谱中获得。正如本研究将展示的，这种方法超越了简单的水分分析，提供了水和材料的整体系统视图，揭示了它们如何共同影响系统的整体功能。
在这项研究中，我们评估了结合光纤NIR光谱、化学计量学和水光子学方法的非破坏性评估同种异体人骨组织植入物水分含量和功能特性的有效性。为此，我们检查了包含矿化和脱矿化人骨组织植入物NIR光谱的多个数据集。利用水光子学方法，我们研究了干燥过程中水分子结构变化的动态。这一分析提供了关于水如何与生物植入物相互作用并影响其机械性能的见解。我们的发现表明，整合这些先进技术可以提供一种可靠的方法来监测水分水平，最终提高同种异体骨组织产品的质量和安全性。
基于同种异体人海绵骨的Lyoplast? 生物植入物（图1）由萨马拉州立医科大学生物技术研究所的萨马拉组织库提供（俄罗斯萨马拉）。Lioplast产品? 拥有多份符合性证书（符合性证书ISO 13485: 2016，注册号RU CMS-RU.PT02.00115；符合性证书ISO 9001:2015，注册号TIC 15100 15；符合性证书ROSS RU.AZH49.N03640）。
为了研究包装薄膜对光谱测量的影响，我们从带有和不带有包装的同种异体骨组织植入物中获取了NIR光谱。由于最终产品采用双层包装（见第2.1节），因此分别获取了带有一层和两层包装的NIR光谱。两种包装薄膜的光谱（图3A）在没有样品的情况下，在1216和1483 nm处有两个明显的吸收带。
NIR光谱与水光子学的结合提供了一种有前景的非破坏性方法，用于监测同种异体生物植入物中的水分含量和水动态。PLSR模型显示出令人满意的预测准确性，对于包含两个干燥过程中的同种异体生物植入物样本和四个水饱和样本的数据集，RMSEP为5.43%，R2值为0.93（0–72.6%范围）。
Maria Yaroslavova：撰写——初稿，研究，数据整理。Dmitrii Sinitsyn：可视化，研究。Nikolay Ryabov：可视化，研究。Artem Volov：研究。Larisa Volova：撰写——审稿与编辑，监督，资源协调。Jelena Muncan：撰写——初稿，概念化。Anna Orlova：撰写——审稿与编辑，监督，资源协调。Anastasiia Surkova：撰写——初稿，项目管理，资金筹集，概念化。
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作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Anastasiia Surkova报告称获得了ITMO大学的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
