压缩性能

随着全球人口的老龄化，骨质疏松症的发病率正在增加。骨质疏松症是一种具有骨质减少和骨质流失的全身性多因素疾病，可损害骨骼的微结构并增加骨脆性，使之易受全身性骨折和骨病的侵害，而骨质疏松椎体压缩性骨折是其最常见的骨折。聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）骨水泥是增强/稳定骨质疏松性椎体压缩骨折（ovcfs）最常用的生物材料之一，如经皮椎体成形术（pvp）和球囊后凸成形术（bkp）。但由于其压缩模量高、与骨结合弱等缺点，限制了其临床应用。 骨质疏松椎体压缩性骨质修复新材料 有了重大进展！ 现在，针对骨质疏松椎体压缩性骨折的修复新材料研究有了重大进展。清华大学材料学院王秀梅教授、浙江大学医学院附属邵逸夫医院方向前教授以及宁波大学医学院附属医院蒋国强教授和岛津公司分析中心工程师黄军飞先生合作，利用岛津公司inspexiosmx-225ct fpd hr设备研制了一种生物活性复合骨水泥（mc-pmma），用于治疗骨质疏松性椎体压缩骨折。通过岛津ct不仅直观的观察出两种材料（pmma和mc-pmma）的物理特性无差异，并且使用ct彩色渲染三维图像的特殊方法分析使用了mc-pmma骨水泥的骨头再生更为显著。这种彩色渲染方法在骨科材料研究中属于开创性的，并发表在国际著名期刊，theranostics刊上，影响因子8.063分，中科院分区1区。 pmma和mc-pmma物理特性基本无异 图1 pmma 和mc-pmma的孔隙率及ct值 图1通过岛津公司inspexiosmx-225ct fpd hr扫描pmma和mc-pmma两种材料的孔隙率，发现基本上是一致的，差别不大，说明mc（矿化胶原蛋白）的加入，使材料本身的孔隙率发生改变；再分析这两种材料的ct值,差别也不大，说明mc（矿化胶原蛋白）的加入，对于材料本身的结构特性没有发生改变。因此从材料的物理特性上来说，两种材料基本无异，可相互替代。 mc-pmma明显有助于骨骼吸收和生长 x射线显微ct图像显示两组标本均牢固地结合在宿主骨上，没有明显的缝隙。显微ct三维渲染显示了缺损和骨水泥的位置。在图2a中，骨水泥具有高的ct值，以红色和黄色表示，而骨头为黑色。随着骨水泥被骨头取代，颜色逐渐变为绿色、蓝色，最后变为黑色，表明ct值逐渐降低。两组标本在第4周时的骨水泥的ct值和骨头体积都相似。在第8周时，mc-pmma组的ct值下降，而pmma组几乎和以前相同。在第12周时，mc-pmma组中的ct值和骨头相似的区域比以前更多，而pmma组的ct值始终保持不变。 图2 骨水泥的界面外观和ct值的差异表明，mc-pmma组比pmma组有更多的物质被吸收和有利骨骼生长。椎体三维图像显示，在术后4、8和12周，mc-pmma骨水泥组的骨形成比pmma骨水泥组更多（图2b-e）。在术后4周，与pmma对照组相比（bv/ tv，12.67±1.84％，tb.n，0.71土0.12mm，n = 6），mc-pmma组有骨体积百分比较高（bv / tv，24.24±3.27％，p= 0.001，n = 6），骨小梁厚度较高（tb.n，0.93±0.21mm，p = 0.001，n = 6）。两组样本之间的小梁厚度（tb.th，0.14士0.02mm，tb.th，0.15±0.02 mm，p = 0.599，n = 6）或小梁间距（tb.sp，0.76±0.11 mm，tb.sp，0.78±0.14mm-1，p = 0.683，n = 6）无明显差异。术后8周和12周，小梁厚度明显更高（tb.th，0.17±0.01 mm，0.23±0.03 mm，p= 0.001，n = 6），骨体积百分比更高（bv / tv，34.89） ±4.06％，37.33±1.65％，p = 0.001，n = 6），骨小梁数比较高（tb.n，1.57±0.11mm，2.12±0.09 mm，p = 0.001，n = 6），与pmma组相比，mc-pmma组的骨小梁间距较小（tb.sp，0.41±0.02 mm，0.30±0.01mm，p = 0.007，n = 6）， mc-pmma组的骨骼随着时间增长。 岛津ct产品是您的科研好助手 通过使用岛津公司inspexiosmx-225ct fpd hr扫描分析，结果显示：在pmma骨水泥的应用价值方面，mc-pmma骨水泥的处理性能无显著差异。然而，抗压强度和抗压模量均显著降低。在兔模型研究中，术后8周和12周，mc-pmma骨水泥的骨再生更为显著（皮质骨厚度、成骨细胞面积、新骨面积和骨内生长百分比均显著升高）。mc-pmma骨水泥表现出良好的适应性力学性能和生物相容性，在临床上可用于替代商业pmma骨水泥治疗骨质疏松性椎体骨折。 岛津公司inspexiosmx-225ct fpd hr相比其他工业及医疗ct，不仅扫描速度快（最快43秒得到ct图像），而且图像清晰（ct图像最大可分辨4微米），适合科研机构筛查处理大批量的样品。通过多种后处理软件，精确的展示出感兴趣区域及分析统计数据，为科研人员节省宝贵的时间和提供详实的图片资料。 参考文献zhu j, yang s, cai k, wang s, qiu z, huang j, jiang g, wang x, fang x. bioactive poly (methyl methacrylate) bone cement for the treatment of osteoporotic vertebral compression fractures. theranostics 2020 10(14):6544-6560.doi:10.7150/thno.44428. 撰稿人：黄军飞

油价破九的那一刻，您是否也动过油车换电车的念头？新能源电动汽车的兴起正在改变交通出行方式和产业结构，续航里程、安全性、电池循环寿命则成为人们关注的新焦点。 三元正极材料（NCM）因能量密度高且循环性能好，得到了越来越广泛的应用。然而NCM在充放电过程中其颗粒内部易产生微裂纹和相变，从而导致正极材料的机械降解，增加电池电阻并导致容量和循环性能下降。根据韩国中央大学Janghyuk Moon[1]等对NCM机械降解机理的研究，NCM结构稳定性与电循环性能直接相关，尤其颗粒硬度将影响长期循环稳定性。对μm级NCM颗粒力学性能的测试，是评价其机械性能的重要方式。岛津微小压缩试验机（MCT）精确把握微小力的测量，为材料机械性能的研究提供稳定可靠的基础数据。 正极材料力学性能测试难点在Janghyuk Moon等的研究中所测试的NCM材料为直径8μm的粉体，单颗粒硬度143MPa，折合受力仅约10mN，破裂时样品的压缩形变仅1μm，对这样微小力与微小形变的精确观测十分困难。岛津MCT系列微小压缩试验机因其可加载9.8-4903 mN（载荷准确度：试验力±1%）,测量范围0-100μm（最小增量：0.0001μm）解决了NCM材料颗粒试验的观测难题。 MCT系列微小压缩试验机 岛津MCT在NCM硬度测试中的应用MCT通过电磁机构将恒定增速的试验力施加至NCM颗粒上，并将其固定在上压杆（标配的50 μm平压头）和下压板之间，然后自动测量试样的变形量，工作原理如下图。在Janghyuk Moon等的研究中，NCM颗粒的硬度测试根据其压缩断裂强度来确定，该强度在断裂点使用施加的压缩力和颗粒直径进行计算：H = 2.8P/(πr2)其中H是压缩断裂强度，P是施加的压缩力，r是颗粒的直径。 工作原理图 l 位移急剧增加表明试样已发生破裂。l 试样的机械强度（抗压强度）由引起破裂力确定。 岛津MCT在NCM压缩试验中的应用除硬度测试外，MCT还能够以加卸载、循环模式对试样进行力学性能试验。MCT压缩试验过程图像 对于微米级别的NCM颗粒，可以通过MCT系列试验机进行颗粒压缩试验，不仅可以获取其压缩断裂强度，更可以获取其试验力、位移与强度等数据关系曲线，而且可以观察其弹性阶段的线性变化。更进一步，MCT系列试验机可以通过加/卸载试验模式测试颗粒的压缩率与回复率，通过循环试验测试其反复施力后材料性能等等。 下图是对三种不同的NCM颗粒进行压缩试验，评价其压缩试验与回复率。得到数据的同时，可以将每张压缩前后照片进行记录。后期还能够结合图像分析粉末材料的失效机制。 NCM颗粒压缩试验结果 MCT的丰富配件除此基本配置以外，岛津MCT可以加装丰富配件：l 搭载侧面观察配件可以从侧面观察样品的放大图像，可以在PC屏幕上显示图像，并且可在任何运行过程中保存；l 配置环境温度箱使用，对不同温度下的微小样品压缩性能进行测试；l 配置惰性环境箱，对于容易受潮的微粒子且在大气中不能进行压缩试验的测试颗粒，起到良好的测试效果；l 搭配电阻测量配件可以可获取导电微小颗粒的连接阻力和压缩率之间的相关性。 MCT附带侧面观察装置MCT附带环境温度装置环境测试装置（N2惰性气体） 结 语岛津公司生产的MCT系列微小试验机适用于NCM正极材料这类微小粉末颗粒的力学性能评价，不仅可以绘制相应载荷-位移曲线，还可以通过计算获取压缩强度，压缩回复率等参数。此外，通过加装纵向与侧向观察装置，可以对颗粒的压缩过程进行观察。随着锂电池正极材料的深入研究，在不同环境下测试其力学性能也将成为关注点，岛津MCT可提供丰富的解决方案。 [1]参考文献：Janghyuk Moona, Jae Yup Jungb, Trung Dinh Hoanga, Dong Young Rheeb, Hyo Bin Leeb, Min-Sik Parkb,*, Ji-Sang Yuc,** The correlation between particle hardness and cycle performance of layered cathode materials for lithium-ion batteries，Journal of Power Sources 486(2021)229359 撰稿人：杨汉章 *本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

研究背景 目前全球骨缺损手术每年约为2000万例，为保持原有骨骼的结构与功能的完整，骨修复就必须依赖于移植材料，因而临床治疗中对于具有支撑作用的骨植入材料需求量巨大。植入材料的特性对于骨修复具有重要影响，是再生医学研究中的关键问题，也是临床骨修复的核心要点。聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 骨水泥是临床上出现很早、使用非常广泛的骨水泥制品，其安全性和临床效果已经得到普遍认可。但是过高的弹性模量、相对较低的生物活性都限制了它在临床使用上的进一步应用和发展。骨组织的修复和再生是一个动态过程，始于骨祖细的增殖和迁移，最终分化为成熟骨细胞。虽然骨组织具有较强的再生能力，但是当大段骨组织损伤造成大范围骨缺损时，为保持原有骨骼的结构和功能，骨的修复就必须依赖于移植材料。植入材料的特性对于骨修复具有重要影响，该过程的影响成为再生医学研究中的关键问题，也是临床骨修复的核心要点。骨植入材料主要有自体骨、异体骨(同种异体骨、异种骨)和合成材料等。自体骨一直被认为是骨移植材料的金标准，但来源有限，取骨后容易出现穿孔、伤口感染、脓肿、出血等相关并发症，植入困难、创伤大等，也使其在临床上的应用受到限制。随着组织工程技术的不断发展，人工骨不仅可以实现大批量生产，而且往往具有新的研究不断赋予的生物相容性、成骨诱导性等特点，使得人工骨普遍应用于临床骨修复以及作为骨外科填充材料。 鉴于上述缺点，材料和医学科学家尝试了多种PMMA骨水泥改性策略，通过改变单体、添加生物活性材料或有机材料等策略来优化PMMA骨水泥的生物机械性能和生物学活性。 方法与结果 本研究以PMMA骨水泥作为支持材料，在其中添加具有生物活性的矿化胶原（MC）材料，通过基础实验研究复合骨水泥的材料学表征以及体内外活性，通过将该材料应用于临床，探究临床的实用性以及价值。采用兔骨质疏松模型对复合骨水泥材料MC-PMMA在体内的生物相容性及成骨性能进行评价。 采用岛津InspeXio SMX-225 CT FPD HR对骨水泥进行扫描重建，统计骨水泥的孔隙率。如图1所示，PMMA骨水泥的孔隙率与MC-PMMA骨水泥的孔隙率几乎相同（5.61±0.16%比7.22±0.53%）。与PMMA骨水泥相比，MC-PMMA具有较低的CT值（9.36±0.13对5.46±0.22）。图1 岛津micro-CT扫描材料结果 体内实验中，更重要的评价环节为影像学评价。在4周，8周，12周时处死兔子，选择有材料的椎体，在Micro-CT定位下确定材料的位置，并进行硬组织切片和染色。采用岛津InspeXio SMX-225 CT FPD HR扫描样品，扫描后经三维等值画图软件重建并进行成骨体积分析测定。通过X线透视及CT扫描影像评估样品植入前后的形状、骨密度，并通过成骨体积的测量进行定量分析。 术后各组在各个时间点的典型扫描三维重建结果如图2A所示，骨水泥材料牢固地结合到骨组织上，没有明显的间隙。通过显微CT进行的三维渲染显示了缺损和骨水泥的位置。在图2A中，骨水泥具有以红色和黄色显示的高CT值，而骨是黑色的。随着骨水泥被骨替代，颜色变为绿色，蓝色，最后变为黑色，表明CT值逐渐降低。在4周时，两组标本的骨水泥CT值和体积相似。在8周时，MC-PMMA组的CT值下降，但在PMMA组中几乎相同。在12周时，MC-PMMA组的CT值与以前相似的区域更多。然而，PMMA组的CT值保持不变。骨水泥的界面外观和CT值的差异表明MC-PMMA组中的材料吸收和骨再生比PMMA组更多。在手术后4,8和12周，MC-PMMA骨水泥组的椎体重建三维图像的定量显示比PMMA骨水泥组有更多的骨形成（图2B-E）。手术后4周，MC-PMMA组的骨量百分比和骨小梁厚度较高。然而，骨小梁厚度或骨小梁分离没有差异。手术后8周和12周，与PMMA组相比，MC-PMMA组的骨小梁厚度显着增加，骨量百分比增加，骨小梁数较高，骨小梁分离度较低，表明随着时间的推移MC-PMMA组的骨生长增加。图2 micro-CT三维重建结果和计算结果 总结与讨论 本研究通过向广泛用于PVP和BKP的PMMA骨水泥品牌的粉末中添加矿化胶原来开发基于生物活性PMMA的骨水泥。与PMMA骨水泥相比，MC-PMMA骨水泥的压缩模量显着降低，而处理时间大致相同。MC-PMMA骨水泥促进细胞增殖和分化，并加速骨质疏松兔模型中椎骨的修复和小规模临床试验中患者的OVCF。我们的研究结果表明，MC-PMMA骨水泥有望用于临床转化。 微焦点X射线CT装置inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus高分辨率，图像清晰擅长复合材料的拍摄操作简单、试验速度快 文献题目《Bioactive poly (methyl methacrylate) bone cement for the treatment of osteoporotic vertebral compression fractures》 使用仪器岛津inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus 第一作者诸进晋，杨淑慧 原文链接：https://doi.org/10.7150/thno.44276