在最近的一项研究中，Monica Lin及加州大学旧金山分校（UCSF）生物工程和骨科的同事使用体内小鼠骨折模型来提供微型智能板植入物的主要证据。这些植入物能够使用集成的电 （EIS）跟踪 以高灵敏度监测术后骨折 。科学家们在实验室的实验研究中首次用外部固定装置和含有传感器的骨板修复了小鼠长骨 。结果现已发表在科学报告中。
用于骨板模型的实验装置和传感器。（A）嵌入小鼠股骨骨折中的传感器的系统概述，其中损伤通过骨板稳定。由Ella Maru Studio创建的图像。（B）在聚酰亚胺基板上制造的传感器，其中700μm2铂（Pt）电极间隔0.5mm。传感器固定到骨板的近端半部，具有从近端延伸的长柔性线缆。蛇形图案重复了电缆的长度，以两个过孔结束，用作连接测量硬件的连接器。（C）为植入骨板和固定传感器以稳定股骨骨折而进行的开放手术的照片。传感器放置后手术部位关闭。（D）在裂缝间隙中植入Pt传感器的荧光检查图像。
（BTE）是 与生物工程交叉领域不断发展的领域，专注于骨科替代材料和骨科诊断方法的开发。目前，医生依靠X射线来评估骨折愈合，这在骨修复的后期更有用。准确确定骨折修复过程是整形外科的基本临床要求，但仍需开发评估骨折愈合的标准方法。
在这项研究中，林等人。在裂缝间隙中的两个微电极上进行EIS测量，以跟踪具有良好与不良愈合的小鼠的纵向差异。科学家们提出了一种结合EIS数据的 ，以对断裂修复的状态进行分类。他们的测量与标准定性X射线显微断层扫描（microCT）值密切相关，允许基于频率的技术验证临床相关的工作频率。结果表明，EIS可以结合到现有的临床骨折管理策略，如骨板。该研究中开发的过程最终可以为医生提供有关患者骨折修复状态的定量信息，以指导临床决策。
用于外部固定器模型的系统概述和传感器。（A）嵌入小鼠胫骨骨折的传感器的系统概述，其中损伤通过外部固定器稳定。由Ella Maru Studio创建的图像。（B）在FR4基板上制造的0.25mm直径传感器，具有金（Au）表面电极和腿外部的大通孔以连接到测量硬件。将传感器植入具有0.5mm和2mm缺陷的外部固定的小鼠胫骨中。（C）在外固定器模型中植入0.25mm传感器的开放手术照片。传感器放置后手术部位关闭。（D）在2mm缺陷中植入0.25mm传感器的荧光检查图像。（E）使用铂（Pt）线组装的56μm直径传感器，通过CO2激光器暴露记录位置并添加线圈以提供应变消除。（F）在外固定器模型中植入56μm传感器的开放手术照片。传感器放置后手术部位关闭。（G）在0.5mm缺陷中植入56μm传感器的荧光检查图像。
包括骨折在内的肌肉骨骼损伤 。骨折治疗对美国医疗保健系统来说是一个沉重的负担。对骨折愈合做出准确的临床决策; 必须确定骨折愈合的程度。由于仍然缺乏 的标准方法，目前最常见的两种方法包括射线照相成像和物理评估。虽然计算机断层扫描（CT），双X射线吸收测定法（DEXA）和超声波可以提供更好的诊断，但由于成本和 ，它们的临床应用受到限制。因此，患者依靠医生进行体检，但结果是主观的，容易出现不精确的情况。骨折愈合的生物学过程通过 ; 膜内（直接）和软骨内（间接）骨化。
通常不会在骨矿化阶段检测到骨折修复的早期阶段。因此，开发监测骨折愈合开始的技术是学术研究的一个活跃领域。大多数研究都集中在将应变测量与骨强度相关联的 上。在本研究中，Lin等人。建立在 基础上，使用可以表征骨折修复进展的电子技术。他们的工作基础是类比，生物组织可以电模型化为电阻效应和电容效应的组合。富含离子的细胞内和细胞外基质作为电阻传导电荷，而双层细胞膜可以模拟为电容或 （CPE）。
阻抗数据区分外固定器模型中的愈合和不良愈合的胫骨骨折。该图像中的组织切片用Hall's和Brunt's Quadruple（HBQ）染色染色并假染色以帮助解释组织成分。蓝色=软骨，黄色=骨小梁，紫色=纤维/无定形组织。原始红色=皮质骨，黑/白区=骨髓。（A）骨折后第14天外固定0.5 mm缺损的代表性组织切片; 骨折间隙明显由软骨和新的骨小梁桥接。（B）在骨折后14天，外部固定的2mm临界尺寸缺损的代表性组织学切片; 骨折间隙以纤维组织为主。（C）在具有0.5mm（N = 6）和2mm（N = 5）缺陷的小鼠中进行的测量中，在破裂后数天绘制用250μm传感器测量的15kHz下的电阻（R）。线性回归分析确定在具有0.5mm缺陷的小鼠中存在显着的正相关（p <0.0001），而在具有2mm缺陷的小鼠中没有相关关系。（D）骨折后28天愈合小鼠的代表性组织学切片; 骨折间隙明显由软骨和新的骨小梁桥接。（E）骨折后28天处理不良的小鼠的代表性组织学部分; 骨折间隙含有过多的纤维组织。（F）黑色箭头指向完全嵌入骨折组织的56μm传感器。（G）电阻（R）和电抗（X）归一化为在15kHz下在骨折愈合过程中绘制的第4天的比率。标准化的R和X均在愈合小鼠的愈合时间内稳定上升，在愈合不良的小鼠中观察到停滞值。（H）标准化的R和X作为第4天的比率，在断裂后第7天的频率范围内绘制。（I）标准化的R和X作为第4天的比率，在断裂后第28天在一系列频率上绘制。在愈合小鼠中观察到来自第7天的频率响应的显着变化，在愈合不良的小鼠中发生有限的变化。信用：（H）标准化的R和X作为第4天的比率，在断裂后第7天的频率范围内绘制。（I）标准化的R和X作为第4天的比率，在断裂后第28天在一系列频率上绘制。在愈合小鼠中观察到来自第7天的频率响应的显着变化，在愈合不良的小鼠中发生有限的变化。信用：（H）标准化的R和X作为第4天的比率，在断裂后第7天的频率范围内绘制。（I）标准化的R和X作为第4天的比率，在断裂后第28天在一系列频率上绘制。在愈合小鼠中观察到来自第7天的频率响应的显着变化，在愈合不良的小鼠中发生有限的变化。
科学家开发并测试了微尺度EIS传感器，用于在两只小鼠骨折模型的愈合过程中纵向测量骨折 电特性。两个模型都植入了骨板或外部固定器。Lin等人的工作。是第一项将微型传感器直接植入骨折间隙进行局部测量愈伤组织变化的研究。他们发现阻抗测量的频谱是稳健的，与骨量和骨矿物质密度的量化测量相关。
Lin等人的长期愿景。是使用EIS传感器定量监测愈合进程，并在骨折部位进行定期测量，以评估风险。实施智能植入系统和为医生提供个性化患者信息的潜力是有利的，因为到2019年 预计将达到412亿美元。该研究提供了一个原理验证概念，以支持EIS的可行性。在患者骨折管理期间为临床相关信息提供经济有效且简单的策略。
阻抗数据区分股骨骨折完全从骨板模型中愈合不同的股骨愈合。组织学切片染色并像以前一样假色。（A）第26天处理良好的小鼠的代表性组织切片; 一个大的骨痂完全桥接骨折端。黑框概述了（B）中的高放大率图像的位置。（B）（A）的高倍率图像，黑色箭头指向完全整合在新骨小梁中的电极。（C）（A）中样品的X射线照片。（D）（A）中的样品的表面渲染的三维μCT图像。（E）在第26天具有混合愈合的小鼠的代表性组织学切片; 骨折愈伤组织包括软骨，纤维组织和骨小梁。黑框概述了（F）中的高放大率图像的位置。（F）（E）的高倍放大图像，其中黑色箭头指向完全嵌入愈伤组织中的电极，被新的骨小梁和纤维组织的混合物包围。（G）（E）中样品的X射线照片。（H）（E）中的样品的表面渲染的三维μCT图像。（I）在断裂后数天绘制的15kHz下的R（标准化为第2天的比率）。数据标记和线条根据愈合程度着色 - 在第12天处死的小鼠的红色阴影（F1，F2，F3），在第26天处死的小鼠的蓝色阴影愈合良好（F4，F5，F6），阴影在第26天处死的小鼠的紫色愈合不良（F7，F8），并且对照小鼠的褐色阴影在第26天处死（C1，C2）。在具有完整骨性愈伤组织F4和F5的两只小鼠中，标准化的R明显以更快的速率上升。（J）在断裂后数天内在100kHz下绘制X（标准化为第2天的比率）。标准化的X在两只具有完整骨性愈伤组织F4和F5的小鼠中以更快的速率明显上升。（K）将所有测量频率下的阻抗数据拟合到等效电路模型（插图），并提取R2t参数，归一化为第2天的比率，并在断裂后的天数绘图。该分析能够清楚地区分由整形外科医生归类为并用的样本。信用：该分析能够清楚地区分由整形外科医生归类为并用的样本。信用：该分析能够清楚地区分由整形外科医生归类为并用的样本。
在 ，科学家们首先开发了传感器，鼠标模型和操作程序。然后，他们确定愈合范围以形成安乐死时间点，以通过其后的组织学染色获得对于愈伤组织组合物的信息。由于传感器体积小，科学家们可以确认整个骨折间隙的组织成分，并确定传感器嵌入的确切组织。尽管某些样本中的传感器运动导致纤维过度，但组织学证据表明微型电极很好整合在骨折组织中。当适当固定时，植入的传感器不能阻止完全的骨桥接。此后，科学家在小鼠模型的整个愈合过程中测量了变化的骨折愈伤组织的阻抗。
在研究中，愈合良好的小鼠和愈合不良的小鼠之间的阻抗很快发生偏差。科学家们通过在实验装置中将频率从1 kHZ改变到100 kHZ来获得跨越愈合天数的阻抗谱，使得稳健的愈伤组织形成影响测量。林等人。测量小鼠模型中的电阻（R）和电抗（X），以显示对于愈合良好的骨折，参数上升得更快。抗性（R）在表现出明显愈合反应的小鼠中急剧上升，因为它反映了材料导电的能力。高导电材料表现出小的电阻，而导电性较差的材料具有较大的电阻。在这项研究中，科学家观察到高导电性血液和软骨组织的转变，
回归分析将归一化阻抗数据与μCT指数进行比较。（A-D）15kHz的归一化R与骨体积与总体积（BV / TV），骨矿物质密度（BMD），小梁数和小梁厚度的比率显着相关。对各个标记物进行着色以匹配图4I-K中的相应样品。（E，F）来自归一化R和BV / TV之间的回归分析的结果R2和p值以及作为频率的函数绘制的归一化X和BV / TV。显着性设定为p <0.05（低于虚线）。R和BV / TV之间的显着关系（以黄色突出显示）发生在10 kHz至250 kHz之间，并且X和BV / TV之间的显着关系发生在50 kHz至1 MHz之间。
林等人。然后测量研究中的电抗（X）作为能量储存的能力，其中细胞组织具有更高的容量，因此在更高的频率下具有更大的X. 由于骨骼含有电容基质层和高度细胞骨髓，他们观察到小鼠愈合过程中愈合过程中X的急剧上升与愈合不良的小鼠的中度变化相反。结果与 在尸体和离体小鼠模型中的 一致。
科学家们将骨折愈合阶段与现有方法进行了全面比较，以显示测量结果非常接近。它们将数据拟合到等效电路模型中，以组合在整个研究中以不同频率获得的电阻（搁）和电抗（齿）的影响。总的来说，林等人。在组织学，放射线照相和尘颈肠谤辞颁罢技术的研究中提供了完整的分析，以验证局部贰滨厂测量的高灵敏度。该研究显示了在不同小鼠模型中将贰滨厂与外部固定器和骨板整合的价值，具有不同的渐进愈合率。
通过这种方式，尝颈苍等人将贰滨厂建立为适合于为骨折愈合设计小型化智能植入物的技术。该结果对于转化为更大的动物模型以进行进一步研究是有效的，并且可以容易地修改为现有的临床骨折管理策略。该研究中证明的原理验证为仪器化植入物奠定了基础，可在未来用于确定骨折愈合时的个性化和指导性临床护理。
对于骨板
骨板，位于内外骨膜之间，由骨板组成密质骨，血管在其中穿行，骨板有环状骨板和间板。环状骨板与骨干周缘平行排列，骨干表层的叫外环骨板，骨干内层的叫内环骨板。
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