使用近红外发射的MgO:Li,Ce,Sm微粒制备生物光子玻璃——一种实现光学近红外成像的有前景的方法

《Biomaterials Science》：Using NIR-emitting MgO:Li,Ce,Sm microparticles in the preparation of biophotonic glass – a promising approach to enable optical NIR imagingOpen Access

　　

在重建性生物活性玻璃植入体应用中，一个重大挑战是术后成像困难，因为其密度与骨组织非常相似。解决这个问题的一个可能方案是使用可通过组织成像的发光植入体。这要求植入体的发射位于深红和近红外（NIR）区域的所谓“生物窗口”内，该区域组织吸收最小。在此，研究人员首次展示，发射红和近红外区域的MgO:Li,Ce,Sm荧光粉颗粒可用于制备能够在近红外区域发光的生物活性玻璃复合材料。研究人员证明，这些材料在X射线照射下对通过组织的光学成像具有很高的应用前景。此类技术此前从未被报道过。因此，使用本研究的材料可能首次实现在单一同步成像装置中识别和区分植入体与骨信号。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

生物活性玻璃因其能与骨及软组织结合并促进再生，被广泛应用于牙科、重建外科及感染/癌症治疗等领域的植入体。然而，商业生物活性玻璃（如Na、Ca、Si、P、K、Mg氧化物组成）的密度与骨（主要成分为磷酸钙）非常相似，导致术后常规X射线成像难以区分植入体与周围骨组织，从而影响康复监测。

为解决这一对比度问题，一种可行方案是结合X射线与荧光成像技术。但荧光成像要求植入体发射波长位于组织吸收最小的“生物窗口”（如第一生物窗口NIR-I: 700–950 nm，穿透深度1–2 cm；第二生物窗口NIR-II: 1000–1350 nm；第三生物窗口NIR-III: 1550–1870 nm）。目前，荧光成像通常需注射靶向分子或纳米颗粒，而将发光材料直接嵌入植入体可避免额外注射，但相关研究极少。现有报道中，如近红外到可见光上转换支架或持久发光植入体（绿色发射）均存在组织穿透性不足的问题。因此，迫切需要一种能通过皮肤进行光学成像的生物活性玻璃植入体材料。

**研究内容与结论**

本研究首次将发射深红及近红外区域的MgO:Li,Ce,Sm荧光粉颗粒嵌入生物活性玻璃中，制备出生物光子玻璃复合材料，并证明其在X射线照射下可通过组织进行光学成像，同时支持与常规X射线成像同步进行，从而首次实现植入体与骨信号在同一成像系统中的区分。该复合材料在模拟医学X射线激发条件下，通过不同厚度鸡胸肉（3、14、20 mm）组织，仍能检测到清晰的光学信号，且细胞毒性测试显示其对人脂肪干细胞（hADSCs）无显著毒性，表现出良好的细胞相容性。本研究发表在《Biomaterials Science》。

**关键技术方法**

1. **荧光粉合成**：采用溶液燃烧法（solution-combustion method）制备MgO:Li,Ce,Sm荧光粉，掺杂浓度分别为Li（0–24%）、Ce（0–0.24%）、Sm（0–0.24%），并在900 °C空气中退火2小时。
2. **玻璃复合材料制备**：以50P₂O₅–40SrO–10Na₂O（NaPSrO）为玻璃基质，通过三种方法（重熔法、直接掺杂法、三明治法）将荧光粉颗粒嵌入玻璃中，最终在400 °C退火6小时去除内应力。
3. **表征与成像测试**：使用X射线衍射（XRD）分析物相；扫描电子显微镜结合能谱分析（SEM-EDS）和阴极发光（CL）进行元素与发光分布分析；光致发光（PL）、热释光（TL）、光释光（OSL）及X射线激发光学发光（XEOL）光谱测量；在模拟医学X射线系统（80 kW，45–85 kVp，8 mAs，200 ms）中，通过鸡胸肉组织（3–20 mm厚）检测荧光信号，并用光谱仪（605–1100 nm）和相机记录。
4. **细胞毒性评估**：使用人脂肪干细胞（hADSCs）在1:10和1:50稀释的玻璃提取物中培养1、3、7天，通过活/死染色和CyQUANT增殖试剂盒评估细胞活力和增殖。

**研究结果**

**3.1 荧光粉颗粒**
研究人员通过优化掺杂浓度，选定MgO:Li12%,Ce0.12%,Sm0.24%作为最佳组分，因其热释光（TL）最强，且红色PL、CL和NIR CL强度位于前20%。在255 nm紫外激发下，观察到Ce³⁺的5d–4f跃迁发射（~480 nm）、Sm³⁺的发射（580、623、673、722 nm，与CeO₂:Sm³⁺匹配，指示存在CeO₂相或Sm³⁺局部对称性改变），以及Cr³⁺杂质发射（700 nm，R线及振动边带）。在450 nm激发下，可见NIR-I区域发射，包括Cr³⁺的⁴T_2g→⁴A_2g宽带和Sm³⁺的线状发射。X射线激发（12.5 keV电子束模拟）产生阴极发光（CL），包含蓝光（Ce³⁺、F⁺和F′色心）、红光（Sm³⁺）和深红光（Cr³⁺），以及NIR-II/NIR-III区Sm³⁺线状发射（880、950、1010、1085 nm）和Cr⁴⁺宽带发射（~1300 nm）。热释光测量显示两个陷阱（能量0.9 eV和1.6 eV），后者高于0.7 eV，适于持久发光（PeL）储存。持久发光（PeL）在电子束激发后持续数秒，光谱以Sm³⁺发射为主。光释光（OSL）在980 nm激光激发下可检测，但发射集中在UV/蓝/绿区，缺乏红/NIR成分，因此OSL在组织成像方面不如PeL有利。

**3.2 添加荧光粉到玻璃中**
通过重熔法、直接掺杂法和三明治法将MgO:Li,Ce,Sm荧光粉嵌入NaPSrO玻璃。重熔法获得最均匀的复合材料。玻璃基质在<350 nm有强吸收，因此254 nm激发主要产生玻璃自身发射，而365 nm激发可观察到Sm³⁺的发射线（562、600、645、705、780 nm），表明Sm³⁺局部对称性恢复为MgO中预期值。SEM-EDS-CL分析揭示，在重熔过程中MgO:Li,Ce,Sm颗粒溶解，形成Sr₃(PO₄)₃:Sm³⁺晶体，发光仅来自这些晶体。复合材料的CL和PeL光谱均显示Sm³⁺发射，无Cr³⁺信号，PeL持续约1.2秒。

**3.3 光学成像应用测试**
在模拟医学X射线系统（45–85 kVp，8 mAs，200 ms）中，将重熔玻璃复合材料置于不同厚度鸡胸肉（3、14、20 mm）下，光谱仪可检测到605–1100 nm范围的X射线激发光学发光（XEOL）信号：3 mm组织下55 kVp以上可检测，14 mm下64.5 kVp以上，20 mm下85 kVp以上。相机拍摄结果与光谱仪一致。这表明该复合材料在常规X射线参数（如45–60 kVp用于四肢，70 kVp用于肩关节，75–90 kVp用于髋部/脊柱）下具有组织光学成像潜力。

**3.4 细胞毒性评估**
人脂肪干细胞（hADSCs）在1:10和1:50稀释的玻璃提取物中培养1、3、7天，活/死染色显示无红色死细胞染色，细胞活力与阳性对照无显著差异。增殖实验中，仅在第3天1:50稀释组细胞增殖显著低于阳性对照，其他时间点无差异。这表明复合材料提取物具有良好的细胞相容性和非细胞毒性。

**讨论与结论**

讨论部分指出，本研究首次成功将深红/NIR发射的MgO:Li,Ce,Sm荧光粉嵌入生物活性玻璃，制备出可在X射线激发下通过组织光学成像的复合材料。该技术解决了传统X射线成像中植入体与骨对比度不足的问题，并允许同步光学与X射线成像。虽然仍需进一步体内测试、评估荧光粉对骨形成的影响以及机械性能，但本研究为术后植入体追踪提供了重要突破。此外，复合材料在355 nm的UV发射还有潜力用于激发发光靶标分子或启动药物释放。

**结论翻译**：在本研究中，研究人员成功将发射深红和近红外（NIR）的MgO:Li,Ce,Sm荧光粉颗粒掺杂到生物活性玻璃中，制备出生物光子玻璃复合材料。使用模拟医学X射线激发和通过组织检测的装置，获得了优异的发射强度，允许使用常规相机成像以及光谱仪记录发射。此外，溶解副产物表现出细胞相容性。显然，该功能仍需在体内条件下进行测试，同时评估荧光粉颗粒对骨形成的影响。此外，还需评估复合材料的机械性能，以确定该材料最适合哪种类型的植入体。可能，持久发光（PeL）强度和持续时间仍可改进，且不同NIR窗口的发射强度可根据特定成像需求进行调节。这些方面将在未来的研究中探讨。尽管如此，本研究结果标志着在术后植入体追踪可能方案的研究中迈出了重要一步。据研究人员所知，这是首次证明在X射线照射期间可进行光学成像的生物活性光子植入体材料。此外，这里报道的复合材料还具有355 nm紫外发射的附加功能，可进一步用于激发发光靶标分子或启动药物释放。这些可通过例如将光敏生物分子嵌入沉积在生物活性玻璃上的膜中来实现。