无创性动态监测材料降解速率与组织再生匹配程度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种植入材料在生物体内降解的成像和监测方法，尤其涉及一种监测材料降解速率与组织形成匹配程度的方法，实现监测的动态性和无创性。
【背景技术】
[0002]组织工程基本原理是将体外扩增的种子细胞接种到可降解支架材料上，通过细胞在支架材料上的增殖和细胞外基质分泌及支架材料的逐步降解，从而最终在体外或体内形成组织工程化组织。在这一过程中，支架材料不仅提供了细胞粘附、迀移、增殖和功能代谢，还承载着细胞与信号分子以及营养物质的传输和废物的排泄通畅等功能。
[0003]理想支架材料的重要特征之一是具有与组织形成相匹配的降解速率。支架材料过早降解将无法提供所需的支架让细胞再生组织；过晚降解则导致占位置效应使细胞无空间再生组织。然而在实际研宄中，如何动态监测支架材料降解速率与组织形成是否匹配仍然是一个本领域亟待解决的难题之一。
[0004]传统的研宄方法是采用组织切片染色法来确定支架材料的降解情况和组织再生情况。但这一方法依赖于在固定时间节点处死不同个体动物，无法实现同一动物体内的连续观察。近年来，非侵入成像技术(Non-1nvasive Imaging Technology, NIR)得到迅速发展，包括X射线计算机断层成像(CT)、超声成像(USI)、磁共振成像(MRI)以及荧光光学成像技术等，为动态监测体内组织工程支架材料降解提供了可行性。然而，生物大分子或高分子聚合物等组织工程支架材料无法采用上述方法成像或显影。
[0005]中国发明专利ZL200910026721.9公开了一种可生物降解荧光聚酯共聚物的制备方法，以3，4- 二羟基肉桂酸为主单体，不同分子量的聚乙二醇PEG400、PEG1000、PEG2000、PEG4000、PEG6000、乳酸、对羟基苯甲酸、或石胆酸为功能单体，乙酸钠为催化剂，乙酸酐为溶剂，采用两步熔融缩聚法得到了咖啡酸酯类共聚物。所制备的咖啡酸酯类共聚物可作为降解材料或荧光探针应用于组织工程、生物医药以及环保等领域。
[0006]中国发明专利申请201410711669.1公开了一种具有荧光性的接枝可降解嵌段聚氨酯、骨修复材料及制备方法，在由脂肪族二异氰酸酯的硬段，与含有端羟基的聚合物或嵌段共聚物的可降解聚合物链段的软段聚合而成的结构中接枝有医学中可以接受的荧光性成分。骨修复材料该聚氨酯与纳米羟基磷灰石粉末共同组成，具有良好的生物相容性和可降解性，并同时具有荧光特性，可用来示踪评价嵌段聚氨酯的降解过程，分析降解机理，考察降解速率对材料力学性能和组织再生重建过程的影响，为高分子降解材料的生物安全性评价提供新的视角和手段。
[0007]2013年，哈佛大学的Soon Hee Kim等才首次报道利用小鼠动物模型，通过两性离子近红外荧光纳米分子探针ZW800-1标记胶原支架并对其进行了长时间体内近红外荧光成像。结果表明，荧光成像可以实时示踪胶原支架在体内代谢的动态过程(Scientificreports 2013 ；3)。
[0008]随着支架材料的降解，解体的材料单体和荧光纳米探针将被释放和清除，修复区域的荧光会越来越弱，直至支架完全降解而消失。而在支架材料降解过程中，新生组织再生(如成软骨或成骨等)的密度和体积越来越大，直至修复整个创伤区。在这一过程中，支架材料降解后所释放的游离荧光标记物可被周围细胞吞噬而进入新生组织之中，使新生组织具有荧光标记，从而导致在荧光成像系统中无法区分未降解的支架材料上的荧光信号。
[0009]因此，荧光分子探针和荧光成像系统虽然能对支架材料的降解情况在细胞和分子水平上进行示踪，具有很高的灵敏度，但是它的不足之处在于只能在一维平面上成像，无法获得活体三维结构(剖视性)和三维空间分辨率低下等。同时，荧光探针在代谢时有可能被周围细胞吸收，从而进入新生组织中，荧光残留其中时，怎样区分新生组织的残留荧光和原支架材料荧光，成为单独使用荧光成像无法解决的难题。
【发明内容】
[0010]本发明的一个目的在于提供一种监测材料降解速率的方法，实现监测的动态性和无创性。
[0011]本发明的另一个目的在于提供通过组织工程在体内所形成组织的状况进行监测的方法，实现监测的动态性和无创性。
[0012]本发明的再一个目的在于提供一种监测材料降解速率与组织形成匹配程度的方法，实现监测的动态性和无创性。
[0013]本发明的又一个目的在于提供在骨修复中无创和动态监测材料降解速率、组织形成及其匹配程度的方法。
[0014]本发明提供的一种监测材料降解速率与组织形成匹配程度的方法，采用一维成像方法和三维成像方法同时对植入受试生物体内的材料进行双模式成像。一维成像方法如:但不仅限于荧光成像方法和同位素成像方法。三维成像方法如:但不仅限于CT成像方法、磁共振成像方法、PET成像方法和B超成像方法等。
[0015]可将本发明提供的监测方法用于组织修复(如:骨生成)，以监测支架材料的降解速率，组织再生的状态及其匹配程度。
[0016]一维成像方法(如:荧光成像系统)和三维成像方法(如:Micro CT)组成的双模式成像不但能从一维平面(如:荧光)监测，同时能从三维空间结构(如=Mic1 CT显微成像)进行监测，二者结合的使用具有互补效应。
[0017]植入受试生物体内的材料为生物可降解材料如:但不仅限于聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly (lactic-co-glycolic acid, PLGA)，其上标记或混入(掺杂)的标记物，如:但不仅限于荧光标记物、磁颗粒标记物和同位素标记物等，尤其是荧光纳米标记物、磁颗粒纳米标记物和同位素纳米标记物等。标记物优先选择近红外荧光材料，如:但不仅限于金纳米团族(Nanoscale 2012, 4(24):7766-72 ；Nano Res.2012, 5(9):630-639 ；Nanoscale Res.Lett.2013,8(1):182)。
[0018]一维成像设备从植入材料的受试生物体捕捉射线信号。如:荧光成像设备将红外光(尤其是近红外光)照射植入材料的受试生物体，通过照相机捕捉照射后的光信号。
[0019]三维成像设备从植入材料的受试生物体捕捉射线信号。如:显微CT设备将X射线照射植入材料的受试生物体，通过X射线探测器获得监测信号并成像。
[0020]本发明技术方案实现的有益效果:
[0021]本发明提供的方法，将一维成像方法和三维成像方法二者结合，同时对植入受试生物体内的材料进行双模式成像，不但能从一维平面监测，同时能从三维空间结构进行监测，可以建立监测支架材料降解速率与组织形成匹配程度的体系，实现监测的无创性和动态性。
[0022]本发明提供的方法还可以解决特殊条件下荧光的区分，即对游离的和支架材料上的荧光信号实现区分，解决新生组织中对原支架材料所发荧光的干扰问题，达到有效区分支架材料和新生组织的目的，并最终解决支架材料的降解速率和组织再生相匹配监测的难题。
【附图说明】
[0023]图1为本发明监测材料降解速率的方法一实施例的示意图；
[0024]图2为裸鼠皮下植入可降解材料时的CT图；
[0025]图3为可降解材料植入裸鼠皮下后的降解CT图；
[0026]图4为大鼠颅骨受损时的CT图，图中箭头所示为受损处；
[0027]图5为在大鼠颅骨受损处植入可降解材料原位组织修复的CT图，图中箭头所示为受损处经修复后的状态。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
[0029]经研宄发现，Micro CT成像只能对硬组织，例如:骨骼和牙齿等组织具有良好成像效果，而对密度低的软组织如肝脏、心脏、血管和胃肠道等以及高分子材料或聚合物等成像效果差，组织之间无法区分，且有些不能成像。利用牛血清蛋白(BSA)或鸡蛋清等为模板，成功地制备了一系列具有良好生物相容性的贵金属荧光纳米团簇(Au、Ag、PtCluster)(Nanoscal