Infrared Chemical Biopsy for Non-Destructive Compositional Assessment of Intact Bone
本文介绍了一种“红外化学活检”技术，这是一种利用光纤近红外光谱学来评估完整骨骼表面成分属性的无损框架，从而能够在无需预先移除组织的情况下，实现组织成分、三维结构与力学行为之间的空间匹配关联。
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骨骼常被认为是人体内的刚性支架，是一个仅仅让我们保持直立的静态框架。然而，对于研究骨骼如何断裂或愈合的科学家来说，它们要动态得多。骨骼的强度不仅仅取决于它的厚度或含有的矿物质含量；它是一种复杂的活体组织混合物。在每块骨头内部，都存在着硬质矿物质、被称为胶原蛋白的柔韧蛋白质纤维、水以及脂肪之间的精确平衡。这些成分像一个团队一样协同工作：矿物质提供硬度，胶原蛋白提供韧性以防止折断，而水则帮助组织吸收能量。当这种内部化学成分因衰老或疾病发生变化时，即使骨骼的大小看起来正常，也会变得脆弱。几十年来，医生和研究人员一直想知道，如何在不切开骨骼的情况下，准确了解一个活体内的这种化学混合物是什么样的。传统方法需要取出一段骨组织，将其研磨，然后在实验室中进行分析，这会破坏样本，并使得无法观察该特定骨块在体内的表现。
史蒂文斯理工学院的一个研究小组现在展示了一种无需破坏表面即可窥视骨骼内部的新方法。他们开发了一种被称为“红外化学活检”的方法。他们没有通过移除组织来观察其成分，而是使用一种小型手持设备，将一种特殊的光线照射到骨骼上。这种被称为近红外线的光可以穿透骨骼的外层，并携带有关隐藏在表层之下的水、矿物质和蛋白质的信息反射回来。为了证明这个想法可行，研究人员对一块人类髋骨进行了精细的实验。他们首先用光探针扫描了骨骼外部，捕捉到了下方组织的化学“指纹”。紧接着，他们从该精确位置钻取了一个圆柱形的骨骼样本。这使得他们能够将从完整表面采集的光学读数与取出的实际物理骨块进行对比。
结果显示，光学读数不仅仅是在观察骨骼的最表层。当研究人员取出钻取的骨骼样本并缓慢削去底部层时，顶部的光学读数以一种可预测的方式发生了变化。这证明了光确实是在感知样本深处的组织，而不仅仅是骨骼表面的皮肤。通过光采集到的化学信息与已知的骨骼成分（如水和胶原蛋白）相吻合。在光扫描之后，研究人员使用高分辨率3D成像技术绘制了骨骼样本的内部结构图，随后测试了它在断裂前能承受多少力量。这创造了一幅完整的图像：同一个骨骼部位的化学组成、内部架构及其机械强度都被测量了出来，并按照一个以无损扫描开始的序列紧密联系在一起。
这种方法并不会取代医疗诊断中对物理骨样本的需求，但它为理解骨骼健康提供了一个强大的新工具。通过展示基于光的扫描可以从完整的骨骼表面获取有意义的数据，并将其与下方的组织直接联系起来，研究人员为研究骨骼质量开辟了一条此前无法实现的路径。该研究证实，在移除任何组织之前，从活体骨骼部位收集详细的化学信息是可行的，这为进一步测试保留了样本。这一工作流程将骨骼不可见的化学性质与其可见的结构以及承受压力的能力连接起来，为研究骨骼如何随年龄和疾病变化提供了基础，且无需使用那些会破坏所研究组织本身的侵入性程序。
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