内容提要
医用植入物广泛应用于临床，如心血管支架、颌面外科和骨科。然而，传统的植入手术大多是开放性和侵入性的，导致大量软组织的剥离和血液供应的中断。种植体手术的精确导航被认为是减少损伤最有效的方法之一，是临床迫切需要的。在这里，报道了一种生物兼容的NIR-II J-聚集体标记的介孔植入物，用于成像引导的骨合成。在钛板表面生长具有垂直孔道的介孔二氧化硅层，为NIR-II J-聚集体的形成提供了限制空间。FD-1080 J-聚集体的吸收峰和荧光峰都位于NIR-II窗口(超过1300 nm)，这是高分辨率和实时外科手术在深部组织导航的理想选择。NIR-II成像可以清晰地显示体内外种植体的位置和轮廓。这种NIR-II成像引导的成骨术可以有效地减少手术伤口和手术时间，这对种植体手术是至关重要的。
结果与讨论
生物相容性NIR-II j聚集体标记介孔二氧化硅涂层钛板(标记为MSTPs-FDJ@PAA)的合成过程如图所示。通过双相分层反应体系将介孔二氧化硅层包覆在钛板上在介孔通道中形成具有NIR-II荧光的FD-1080菁染料J-聚集体，实现了医用平板的可视化。此外，采用生物相容性聚丙烯酸(PAA)对介孔二氧化硅层表面进行改性，以提高FD-1080 J-聚集体的稳定性和MSTPs-FDJ@PAA的生物相容性。最后，NIR-II成像可以清晰地显示MSTPs-FDJ@PAA上的螺钉孔，确保螺钉能够准确地插入孔中，从而最大限度地减少了手术对软组织的损伤和细菌感染的风险。
介孔二氧化硅涂层钛板的形成机理。双相分层反应体系由均匀的油水(环己烷和水)组成。正硅酸四乙酯(TEOS)作为硅前驱体分散在上环己烷相中。在低水相中加入十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为介结构导向剂，三乙醇胺(TEA)作为催化剂，钛板(TPs)作为底物。水解后的硅酸盐低聚物与CTAC在双相界面处共组装形成硅酸盐低聚物/表面活性剂/有机半乳液胶束，并由于界面能最低而驱入水相形成球形胶束。然后，由于胶束与基体之间存在强烈的范德华相互作用，球形胶束被吸附在基体上。随着胶束的不断沉积和组装，在钛板上可以形成有序的介观结构胶束阵列。紧密填充的球形胶束发生熔合过程，引发胶束由球形向圆柱形的结构转变。最后在钛板表面形成具有垂直介孔通道的介孔二氧化硅层。介孔二氧化硅层被氨基进一步功能化，用于聚合物的接枝透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)图像显示介孔二氧化硅层在大范围内连续光滑。高分辨率TEM图像显示介孔二氧化硅层排列有序，孔径约为9.8 nm。截面SEM图像清晰地显示，具有柱状孔道的介孔二氧化硅层垂直于基底，贯穿整个层。介孔二氧化硅层厚度均匀，约为55 nm。
根据文献制备了NIR-II型菁染料FD-1080，并在甲醇中通过简单的物理吸附加载到介孔二氧化硅层中。FD-1080染料有两个带负电荷的磺酸基，通过静电相互作用可被强吸附到氨基官能化介孔通道中。FD-1080染料在介孔二氧化硅层中的负载能力约为45.1% wt%(。FD-1080染料可以很好地分散在甲醇中，以保持单体状态。然而，通过将溶剂由甲醇调整为水，介孔通道中的FD-1080单体将进一步自组装成J -聚集体。FD-1080单体在甲醇中的吸收峰在1012 nm左右，通过调节溶剂的极性，在介孔通道中形成J-聚集体后，其吸收峰红移至1360 nm。
为了证明介孔通道对形成均匀J-聚集体的约束作用，作者进一步研究了FD-1080在不含介孔二氧化硅的不同溶剂中的光学性质。在开放体系中，随着水/甲醇体积比的增加，FD-1080单体在1012 nm处的吸光度急剧下降。J-聚集体在780 nm处的吸收峰同时增加，而J -聚集体没有观察到特征峰。相比之下，当染料加载在介孔通道中时，即使在5 wt%的低负载容量下，通过调节溶剂的极性，也可以清楚地观察到J -聚集体在1360 nm处的典型吸收峰。在介孔通道中，FD-1080单体趋向于“首尾相连”排列形成J -聚集体。通过元素映射也可以确认介孔通道中J -聚集体的存在，可见Si、O、N、C、S元素在介孔二氧化硅中均匀分布。为了提高介孔二氧化硅表面的亲水性和生物相容性，进一步用生物相容性的PAA对其进行改性，形成最终的MSTPs-FDJ@PAA。同时，NIR-II J -聚集体的摩尔消光系数(ɛ)为0.25 × 105 m-1 cm-1，量子产率(QY)为0.0032%。
为了研究MSTPS - FDJ @ PAA在NIR-II区域的生物成像性能，在1064 nm激光激发下，使用配备了不同长通(LP)发射滤波器(1200、1300和1400 nm)的NIR-II相机进行体外成像。在模拟生物组织(1%脂内溶液)中评估MSTPs-FDJ@PAA的穿透深度。与1200 nm滤波组相比，1300 nm和1400 nm滤波组获得的植入体边缘即使在5mm的深度也更清晰。随着穿透深度的增加，所有图像都观察到信号强度的衰减和MSTPs-FDJ@PAA边缘的模糊。背景信号可以归因于发射光子在模拟生物组织内的散射。由于光散射取决于发射波长，在相同穿透深度下，背景信号随着发射波长的增大而减小。然后，根据感兴趣区域(ROI)的SBR和对比度对图像的分辨率和清晰度进行评估。与1200 nm滤波组相比，在穿透深度为1 mm时，1400 nm滤波组获得的图像SBR提高了5.6倍。即使在穿透深度为3 mm的情况下，1400 nm滤波组图像的SBR也可以达到2.1，是1200 nm滤波组图像的1.9倍左右。同样，在渗透深度为3.0 mm时，1200 nm滤波组获得的图像对比度下降到0.05以下。而在1400nm滤波组中，即使在穿透深度为5mm的情况下，获得的图像对比度也保持在0.25以上。此外，在1300和1400 nm滤波器组的图像中，可以清晰地观察到MSTPs-FDJ@PAA上的孔，这对外科手术中成像引导螺钉锚定至关重要。结果表明，MSTPs-FDJ@PAA在NIR-II窗口具有优越的生物成像性能。此外，作者还研究了MSTPs-FDJ@PAA在不同生物环境中的荧光稳定性。在1倍磷酸盐缓冲溶液(1倍PBS)、生理盐水和胎牛血清(FBS)中，MSTPs-FDJ@PAA的荧光强度在48小时内几乎保持不变，表明MSTPs-FDJ@PAA在生物环境中非常稳定。此外，MSTPs-FDJ@PAA在1064 nm激光照射下表现出良好的光稳定性。
采用骨间充质干细胞(BMSCs)细胞计数试剂盒-8试验评价MSTPs-FDJ@PAA的生物相容性。用MSTPs-FDJ@PAA孵育不同时间(1、2、7天)后，即使孵育7天也未观察到明显的生物毒性。据报道，种植体的表面特性对成骨细胞的增殖、分化、粘附和迁移至关重要因此，作者进一步利用逆转录-聚合酶链反应(RT-PCR)对MSTPs-FDJ@PAA周围的成骨进行了研究。结果显示，在3 d和14 d时，MSTPs-FDJ@PAA显著上调了成骨标记基因的表达，包括I型胶原(Col)、RunX2、碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素(OCN)。作者认为介孔二氧化硅层产生的高比表面积和生物相容性PAA表面的高亲水性是促进成骨细胞生长的两个关键因素，这与之前的报道一致。将MSTPs-FDJ@PAA植入大鼠骶棘肌中，评价其体内生物相容性。3周后，种植体周围纤维膜清晰可见，6 ~ 9周后纤维膜逐渐变厚。与TPs组和mstp组相比，MSTPsFDJ@PAA组的纤维膜最薄，表明MSTPs-FDJ@PAA具有较高的组织相容性。
在体外实验结果的鼓舞下，作者进一步使用配备各种LP滤镜的NIR-II相机对MSTPs-FDJ@PAA进行了活体生物成像。可以清楚地观察到MSTPs-FDJ@PAA的轮廓和其上的螺丝孔。黄色虚线框中ROI 1的三维灰度图显示，与1200 nm和1300 nm滤波组相比，1400 nm滤波组图像的背景信号最低。ROI 2的1200 nm滤波组背景信号标准差分别为43.5,1300 nm滤波组为12.5,1400 nm滤波组为11.6。同时，在1400 nm滤波组可以获得最佳SBR(11.8)和对比度(0.9)的高质量图像。特别是在NIR-II成像摄像机下，可以清晰地观察到种植体上螺钉孔的位置，这对于指导螺钉经皮固定，减少软组织损伤和手术时间具有重要意义。此外，NIR-II成像术中导航有助于实时监测和调整种植体。此外，通过纤维CT再次检查钢板固定的可靠性和准确性。根据显微CT图像，在目标位置精确植入钢板和螺钉。
总结
总之，作者开发了NIR-II J-聚集体标记的介孔种植体，用于成像引导的骨固定，且侵犯最小。该种植体由四部分组成:1)钛板衬底;2)将均匀介孔二氧化硅层涂覆在基板上;3) FD-1080染料在介孔通道中形成稳定的J-聚集体;4)种植体最外侧的亲水性和生物相容性PAA。由于MSTPs-FDJ@PAA的最大吸收和发射都在1300 nm以上，这种新型植入物成功地用于深层组织的NIR-II生物成像。NIR-II荧光成像可以清晰地观察到种植体的位置和轮廓，使成像引导下的成骨术以最小的手术伤口和操作时间。总之，该研究不仅为具有独特NIR-II光学特性的医用植入物的制备提供了一条独特的路径，而且为医用植入物的精确导航提供了一个潜在的平台。
参考文献
IR-II J-Aggregates Labelled Mesoporous Implant for Imaging-Guided Osteosynthesis with Minimal Invasion. Caixia Sun, Xiaofei Sun, Peng Pei, Haisheng He, Jiang Ming, Xuan Liu, Minchao Liu, Yuntong Zhang, Yan Xia, Dongyuan Zhao, Xiaomin Li,* Yang Xie,* and Fan Zhang*. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100656. https://doi.org/10.1002/adfm.202100656.
