磁共振弹性成像技术用于评估组织工程构建物生长的方法学

为了检测工程化组织构建物，传统的力学测试通常会导致样本破坏，因此不可接受。本方法采用显微磁共振弹性成像（microscopic magnetic resonance elastography，简称 micro MRE）作为一种非侵入性技术，用于测量小型软组织的力学特性。首先，将细胞接种于生物材料支架上以生成组织。

将组织悬浮于 aros 胶中，并将驱动器的尖端插入胶中。随后，驱动器的运动被传递至样品，并利用激光检测其运动特性。多普勒振动仪。

将样品和驱动器转移至磁体并进行磁共振弹性成像。获取弹性成像图像。对所得图像的分析显示成骨和成脂构建物的剪切刚度均发生变化。

我们最初提出了这一技术的想法，并观察到磁共振弹性成像可用于疾病诊断，进而意识到该技术可拓展至组织工程领域。与机械测试等现有技术相比，该技术的主要优势在于，它将磁共振成像（MRI）这一非侵入性技术应用于组织主要力学特性的评估。该技术在组织工程中具有广泛的应用前景，因为对组织力学性能的了解将确保其在骨和软骨工程中的预期用途具备适用性。

尽管这些方法为组织工程学提供了宝贵的见解，但它们也可用于诊断不同器官的疾病，例如肝纤维化、创伤性脑损伤或脑癌。该方法的可视化演示至关重要，因为它包含了难以掌握的操作步骤，以及对组织工程学和磁共振成像技术的预先了解。Gars。组织构建物的制备过程主要包括三个阶段：细胞群体的扩增、将细胞接种到生物材料支架上，以及通过化学信号分子诱导细胞分化。

在培养并扩增细胞系后，将人源间充质干细胞（HMCs）以每毫升1×10⁶个细胞的密度接种到明胶海绵上，用于成骨。大约三天后，细胞应在支架上达到汇合状态，以诱导其分化。吸除培养基，并更换为脂肪诱导培养基。

三天后，在37摄氏度、5%二氧化碳条件下孵育细胞。将培养基更换为维持培养基，维持培养基由含有10微克/毫升人重组胰岛素的扩增培养基组成。孵育24小时后，将维持培养基更换为诱导培养基。

重复此循环三次。此后每两天更换一次维持培养基，持续四周以诱导成骨分化。在研究期间，每两天更换一次新鲜的成骨诱导培养基。

本研究持续四周，每周进行一次磁共振弹性成像（MRE）。磁共振弹性成像依赖于机械剪切波在组织中的传播，以评估局部力学特性的数值。因此，需要使用压电式驱动器在目标组织内产生并表征这些机械振动。样本准备步骤如下：将组织培养物转移至含有固体基底和一层0.5% AGAROSE凝胶的直径为10毫米的试管中。

然后加入温热的0.5 acro胶。将其包裹。让琼脂糖凝胶静置5分钟。

在室温下，将压电弯曲电机的尖端插入凝胶表面。然后，将含有样品和执行器的管道固定到刚性支撑物上。将激光多普勒测振仪的激光束对准机械执行器的尖端。

调整系统的定位以优化条形图上显示的反射信号强度。为最大化反射效果，必要时可使用反光胶带，设置执行器以产生振幅约为250微米的无害剪切波。将函数发生器设置为使用20伏峰值电压，以白噪声信号扫描所需的频率范围。

本实验所需的频率范围为 20 至 2000 赫兹。在 Polytech Rsof 程序中选择速度和 FFT 显示，以查看表征谱图。开始采集信号，并根据谱图中的峰值确定系统的共振频率。

接下来，为了测量驱动器的偏转，将驱动器设置为在已表征的共振频率下输出连续正弦波。使用200伏峰值电压，并记录驱动器向凝胶表面传递的位移，以显示以位移为Y轴的快速傅里叶变换（FFT）结果。完成驱动器表征后，将含有样品和驱动器的试管放入一个10毫米射频线圈的插槽中，并将样品和驱动器置于磁共振成像（MRI）扫描仪的中心位置。

获取定位像以确定支架的位置。找到组织支架后，设置采集参数。典型的体外矢状扫描重复时间为1000毫秒。

回波时间为20至40毫秒，层厚为0.5至1毫米，视野为12乘以10平方毫米，矩阵大小为128乘以128像素。对于弹性成像参数，将驱动器频率设置为由激光多普勒振动特性测定的值。对于此样本，需要一对双极梯度，梯度幅度为50高斯/厘米，磁共振弹性成像（MRE）延迟设为零。

将函数发生器切换至脉冲模式，并调整函数发生器的参数以匹配弹性成像采集参数，包括频率和周期数。同时将函数发生器设置为外部触发。为获得矢状面图像，将运动敏感化方向设为切片正方向，并在采集后开始扫描。

检查图像以评估组织构建物中的信号质量。如果图像过暗，请调整磁共振参数并重新扫描。接下来，将敏感化方向改为负向切片方向。

将 MRI 扫描仪中的文件传输至另一台配备 MATLAB 的计算机，并运行 MATLAB 程序，通过复数除法生成显示剪切波传播的图像。评估图像中剪切波的存在情况及可能的伪影；可绘制相位卷绕的线轮廓图以更准确地评价波的质和振幅。若出现卷绕现象，应降低梯度幅度并重新采集一次扫描。

如果无需对图像进行任何调整，将参数数组大小设置为八个等间距的数值，范围从零秒到特征共振频率的一个完整周期。在获取图像后，分别沿正向和负向切片方向各采集一次扫描。

使用专为生成剪切波数据及相应剪切波在样品中传播视频而设计的 MATLAB 程序。该文件将用于估算机械性能。磁弹性成像（MRE）的最后一步是从剪切波图像中计算剪切刚度。

首先将数据导入 MATLAB 程序，该程序将评估三维数据集，设定成像参数，包括视野范围、梯度、振幅以及双极脉冲对的数量，然后运行代码。该算法允许选择感兴趣区域，并计算每个参数的均值和标准差。绘制组织构建物的轮廓以选定感兴趣区域。

显示所选感兴趣区域内刚度、储能模量和损耗模量的平均值与标准差。该程序还提供中间结果，包括滤波后的波、方向滤波后的波以及线轮廓，这些结果有助于评估重建结果的保真度。为获得准确估计，滤波后的波形需平滑。

如果需要，某一参数在特定感兴趣区域内的标准差也可作为计算质量的指标，可根据需要调整其他参数，以获得准确的力学性能数值，从而观察工程化构建物在发育过程中力学性能的变化。MRE检测在四周的时间内进行。该构建物发育图显示了成脂分化（以字母A表示）和成骨分化（以字母O表示）的构建物，以及相应的幅度图像、剪切波图像、弹性图（ELAs）和平均剪切刚度。

ELA 的颜色图谱与柱状图的颜色方案相对应。图表和误差线表示每个感兴趣构造区域内的标准差。随着时间推移，成脂性构造的刚度降低，表明其性质类似于脂肪组织。

类似地，在四周的培养期间，成骨构建物的刚度逐渐增加，表明发生了类似骨组织的分化。一旦掌握该技术，若操作得当，整个过程可在约两小时内完成。在尝试该操作时，重要的是要对驱动器进行全面表征。在此操作之后，可采用生化分析和组织学等方法来回答诸如矿化沉积是否形成的科学问题。

在处理人类细胞材料和进行磁共振成像（MRI）时，请务必注意，这些操作可能具有极高危险性，需充分了解并遵守相应的生物安全二级（BL2）和MRI安全规范。在执行这些操作时，应采取适当的预防措施。