《Materials Today Communications》：A Review of In Situ Synchrotron Micro- and NanoCT setups for Bone, Biomaterials, and Biological Tissues
本综述系统审视了当前用于骨、生物组织及生物材料研究的原位同步辐射显微计算机断层扫描（SR microCT）与纳米CT（nanoCT）方法学。同步辐射具有高光子通量和相干性的特点，能够实现相衬成像和单色光束，在空间分辨率和时间分辨率方面均优于传统系统。研究人员根据所施加刺激类型对实验装置进行了分类：机械应力（包括压缩、拉伸、扭转和纳米压入）和化学扰动（如吸湿监测和腐蚀监测）。研究描述了专用环境腔室如何复现生理条件以实时观测微结构演化。本文重点介绍了先进的后处理流程，特别是数字体积相关（DVC）和人工智能（AI）技术，用于量化内部三维应变和损伤演化。综述指出，尽管这些技术为结构-功能关系提供了前所未有的定量洞察，但在装置集成和辐射过程中维持样品完整性方面仍存挑战。第四代同步辐射光源的过渡被确认为关键进展，其高速4D成像能力可捕捉快速动态过程。本综述系统识别了当前研究空白并提出了该领域的未来方向。
1. 引言
高分辨率同步辐射（SR）显微CT和纳米CT在材料科学、生物学和医学等领域得到广泛应用。得益于同步辐射光源的高光子通量和亮度，SR CT能够以高于传统台式CT系统的空间和时间分辨率采集图像，特别适用于捕捉生物材料中细微的结构和密度变化。
同步辐射的空间相干性使得相衬成像得以实现，该方法对生物样品成像具有显著优势，因为生物样品通常具有较低的X射线吸收特性。这种技术对于检测致密或矿化材料（如骨骼）中不同相态同样有效，可在微米至亚微米空间分辨率尺度下观察。相衬技术利用折射率差异增强边缘定义和内部界面，显著改善精细结构的可视化。文献记载的相衬成像实现方式包括：同轴单距离和多距离传播成像、泽尼克相衬（Zernike phase-contrast）、光栅成像、编码孔径成像、分析器成像、散斑成像、基于哈特曼的相位敏感方法以及暗场成像。
SR的另一关键优势在于X射线束的单色性，借助单色器可从插入件发出的全宽谱光束中提取特定波长带宽。其益处体现在两个方面：首先，相似吸收系数材料之间的对比度得以增强，便于更好区分；其次，信噪比得到提升，因为排除了贡献噪声、散射或束 hardened 的不必要光谱成分。单色X射线的使用在研究生物组织时尤为有利，特别是在结合相衬成像时，由于软组织在宽光谱范围内吸收系数非常相似，采用单一、精心选择的能量可显著改善结构间（如细胞、血管或细胞外组分之间）的对比度，同时减少剂量伪影。单色X射线的应用使得高Z造影剂（如碘或钆）的使用尤为有利，从而便于优化造影剂在组织中的分布可视化（K边减影成像）。这些造影剂通过增加X射线衰减来增强弱吸收结构（如血管或软组织）的可见性。
虚拟组织学是指利用高分辨率SR microCT生成三维重建，作为传统组织学切片的补充，同时保持非破坏性。因此，虚拟组织学为经典二维组织学和完整标本三维结构分析之间搭建了桥梁。此外，它还可指导后续组织学分析的物理切片。
SR microCT已从纯结构研究扩展到评估仿生的功能以及工程支架与宿主组织（如软骨）的原位相互作用。
在许多研究应用中，对外部刺激（如机械载荷、热变化或化学变化）下样品演化进行成像至关重要。因此，原位SR microCT和nanoCT测试的应用日益增多。专用设备或环境腔室用于在断层扫描采集过程中改变样品的物理条件。每种特定情况的实验设计必须考虑所研究过程的时间尺度。监测载荷下微结构变化的能力对生物材料研究尤为宝贵，因为其结构-功能关系复杂且往往呈非线性。快速事件（如断裂或裂纹扩展）需要快速采集序列以实时监测现象，而溶胀或腐蚀等较慢过程则允许较长的扫描间隔。某些方案中，扫描之间设置延迟以允许每次加载步骤后稳定。需区分阶梯式原位实验（样品在离散加载或交替步骤之间间歇成像）与真正的4D SR microCT（连续成像实时捕捉施加刺激过程中样品演化）。得益于第四代同步辐射光源通量的提升，可实现更高的时间分辨率，从而进行4D CT扫描（三维空间随时间变化），进而追踪样品动态。
装置通常必须兼容同步辐射束线约束，包括有限可用空间和精确对准。外部设备的集成有时需要增大样品-探测器距离以避免与探测器潜在碰撞，这可能改变相衬效应。180°或360° CT角度范围的选择必须考虑装置布线（特别是动态实验中）的空间占用。防止旋转过程中电缆干扰至关重要，以避免不完整的体积重建和图像伪影引入。
在动态成像中，用于追踪和比较变化并理解演化的流行后处理方法是数字体积相关（DVC），其通过比较连续CT体积来追踪内部位移和应变场。应用于骨和其他生物组织时，DVC有助于将形态特征与力学性能相关联，更好地理解损伤起始、扩展和失效机制。
本综述涵盖了一系列生物和工程多孔材料，适用的SR microCT或SR nanoCT范式相同。这些材料包括：骨、软结缔组织（关节软骨、半月板、肌腱和牙周韧带）——其中相衬SR microCT和精细湿度控制可揭示载荷下胶原/纤维重排和细胞分布；生物和仿生支架（乌贼骨和磷酸钙骨移植物）以及用作骨模拟物的合成泡沫；菌丝体基复合材料和其他杂化生物材料。另一方面，SR nanoCT结合纳米压入可在细胞水平将结构信息与力学行为相关联；而通过流通池的实现，则可观察为植入应用开发的镁基合金的腐蚀/生物降解过程。在这些体系中，时间分辨SR microCT（包括连续"4D"扫描）、DVC和AI辅助分割构成了方法学骨干，广泛应用于文献中以比较不同长度尺度和材料类别间的变形、损伤和失效机制。
2. 样品环境
SR microCT有效解决了开放性科学问题，包括衰老和骨质疏松相关骨脆性骨折中微力学的作用，或生理条件下合成假体材料的长期失效。在更精细分辨率尺度上，SR nanoCT能够直接观察胶原结构及载荷下胶原相关损伤，以及腐蚀和降解诱导的材料孔隙形态变化。为此，可设计多种样品环境以原位复现特定相关生理条件，从而系统研究其对材料和生物组织的影响。这些环境可对样品施加受控力或变形，或作为调控腔室以精确控制选定的环境参数。
实现原位环境具有挑战性，受限于操作空间狭小的要求。定制腔室需适配束线。首先，样品周围区域必须具有低X射线衰减以最小化吸收和减少重建伪影，使X射线束以最小干扰通过，这通常称为X射线透明性。常用材料包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醚醚酮（PEEK）和聚酰亚胺（Kapton）。
其次，装置必须允许样品360°完整旋转，这需要仔细的布线和流体管线管理。许多束线根据样品对称性、尺寸和实验约束提供180°和360°扫描的灵活性。在360°扫描中，样品相对于旋转轴偏心放置，此配置可扩展重建图像中的视场，从而可视化更大的感兴趣区域甚至整个标本。
最后，腔室的整体尺寸和重量必须与特定束线的机械和空间约束兼容。
2.1 压缩
在压缩实验中，样品承受沿一个或多个轴减小其尺寸的载荷。通常，样品（常为圆柱形或立方体）置于测试机两平板之间，施加压缩力直至指定变形或失效。多数情况下，压缩装置采用位移控制模式运行，即精确控制加载压板的位置或移动速率而非施加力，确保稳定的加载条件和施加变形与应力响应之间的准确关联。
多项原位研究的主要动机是脆性骨折的急剧增加。Buccino等研究者试图通过研究陷窝微孔作为早期损伤检测关键指标的作用来预测灾难性骨折。为此，压缩测试在意大利Elettra Sincrotrone Trieste的SYRMEP束线进行，利用传播模式相衬的粉红光束。原位测试采用定制的微压缩装置（MCD），样品经受一系列递增压缩步骤后进入松弛阶段。结果表明，健康与骨质疏松骨样品在陷窝形态和密度方面存在统计学显著差异。后续类似研究扩展至COVID-19患者骨标本，发现COVID-19诱导的微尺度松质骨改变与骨质疏松观察到的变化相当。
各研究者采用了不同策略监测骨损伤累积。虽然部分研究者关注陷窝微孔的作用，另部分研究者则对小鼠皮质骨样本（包埋于PMMA中）进行压缩研究，直接可视化损伤累积并将微裂纹行为与骨超微结构特征相关联。实验在瑞士光源（SLS）材料科学束线进行，压缩以阶梯式位移控制施加。结果证明微裂纹主要 initiated 于管和骨表面，作为载荷下的应力集中器，并首次报告了未开裂韧带桥的三维可视化。
类似压缩协议被用于结合原位SR microCT成像与同步压缩和主动温度控制的验证性研究，旨在保护骨组织完整性免受长时间X射线暴露。研究表明，SR microCT期间将样品温度降至0°C可减少松质骨的辐射诱导微损伤。后续新的连续原位单轴压缩实验则应用先前研究的成像方法学发现，聚焦于松质骨和皮质骨、合成聚氨酯泡沫、镁基支架和乌贼骨的变形行为。与阶梯式压缩不同，样品被连续压缩至结构失效，实现整个加载序列的实时全层析数据集采集。
虽然原位压缩常用于微米尺度观察，近期技术进步已将这些实验拓展至纳米尺度。相关研究允许对加载完整矿化组织内的纳米尺度应变进行表征，实现关节钙化软骨/软骨下骨界面的全场三维位移映射。该实验在第三代同步辐射Diamond Light Source的Diamond-Manchester成像束线I13-2进行。
与上述研究互补，另有研究采用不同压缩方式：三点弯曲测试，骨在横跨施加载位点的两点支撑，载荷施加于支撑中点，在试样表面凸侧产生拉应力，裂纹在此处起始和扩展。对松质骨而言，此装置模拟与该类型样品加载相关的弯曲条件。该研究目标是开发评估患者骨脆性的非破坏性方法，需破坏性断裂特性数据校准。结果清晰显示了松质骨微结构中裂纹起始和扩展，表现为缺口区域位移不连续和应变集中。遵循类似三点弯曲方法，另有研究调查了纳米尺度胶原损伤对牛皮质骨断裂抗力的作用，利用定制腔室追踪机械加载过程中的实时裂纹演化。还有研究者将此压缩技术应用于猪皮质骨和松质骨动态断裂过程的实时可视化实验，在先进光子源（APS）整合了改进的Kolsky压缩杆以施加高加载速率。
除骨外，压缩测试还可用于其他硬组织和软组织。有研究可视化和量化了灰鼠狐猴牙周韧带（PDL）在载荷下的运动，以理解PDL如何允许牙齿耗散高咀嚼载荷而不失效。另有研究调查了牛结缔组织在压缩下的力学行为。PDL形态学研究得出结论：灵长类PDL形态精细调节以实现复杂多轴向牙齿运动，允许咬合应力耗散，并可能在最小化高重复咀嚼载荷下硬组织损伤风险方面发挥作用。两者均采用同步SR microCT和定制原位加载装置，在不同同步辐射设施进行。STNCHROLOAD装置安装在microCT站空气轴承旋转台上，提供稳定、精确控制的轴向加载同时保持与X射线束对准；TomoPress装置则整合了两个同步旋转台以优化扫描过程中的样品取向和旋转。两种加载设备均允许增量加载步骤期间同步采集高分辨率CT扫描。相衬成像能力对此研究尤为关键，因其同时实现了软组织PDL结构和相邻硬组织的可视化，提供了生理条件下牙-骨界面的全面图景。
另一项关于膝关节软组织的研究设计了定制流变仪用于相衬SR microCT。机械加载协议包括连续加载至15%应变，以及15%和30%应变水平的阶梯加载应力松弛。结果显示加载过程中软骨样品顶部40%的软骨细胞密度增加，而下半部分无显著变化。辐射损伤、图像可重复性和图像质量评估表明对结果影响极小，确认了成像方法的可靠性。
进一步扩展软材料研究，另有研究利用SR microCT表征3D生物打印藻酸盐和藻酸盐/明胶支架的结构稳定性。使用定制液填充支架，研究人员进行原位单轴压缩测试以评估不同内部打印图案对力学韧性的影响。该研究展示了此方法的多功能性，通过成功在大鼠坐骨神经模型中无损体内追踪支架，观察到植入后两天由于生物降解导致的支架体积显著减小。
除天然软组织外，原位压缩评估对设计用于软骨修复的工程生物材料支架至关重要。该领域的主要挑战是常规吸收CT常不适用于软组织工程，因为低密度聚合物构建体与周围宿主组织之间吸收差异有限。为此，研究者在加拿大光源（CLS）生物医学成像与治疗弯曲磁铁（BMIT-BM）束线展示了同步辐射基于相位模式的有效性，比较了CT衍射增强成像、分析器成像和相衬成像以可视化完整猪关节中植入的聚己内酯支架。结果表明，这些从X射线折射和相移而非吸收获取对比度的技术，能够以高灵敏度分辨支架内部网格结构和精细软组织界面。衍射增强成像被发现是在纵向研究所需的低辐射剂量下保持优越图像对比度最有效的模式，这对在序列加载步骤期间保持胶原基质的力学完整性至关重要。
2.2 扭转
虽然单轴压缩提供了关于刚度和失效的关键数据，但许多生物组织在体内承受复杂的剪切和旋转载荷。因此，原位扭转microCT已成为追踪扭转载荷下内部架构的重要工具。原位扭转microCT描述了一种实验装置，其中样品在X射线microCT成像（连续加载下或一系列增量角度步骤后）时暴露于受控扭转载荷（旋转或扭矩）。此方法允许追踪剪切应力下内部架构和损伤演化的三维变化，包括微裂纹起始、空腔或孔洞形成以及分层等过程。通过将这些微结构变化与扭矩-角度曲线和应变场分析相结合，扭转microCT测试提供了多尺度剪切诱导失效机制的详细图景。
此方法对材料特性表征尤为宝贵。例如，对编织复合管的扭转测试已用于将结构特征与宏观扭转强度、表面损伤模式和最终失效模式相关联。近期工作展示了编织角变化如何影响微米尺度扭转响应和失效路径。然而，将扭转加载应用于生物材料的SR microCT存在显著空白，专用设备也有限。扭转模式下，装置执行增量步长的可控角位移，每次扫描前有短暂停留。应用于松质骨或椎骨时，此配置捕捉剪切驱动的微裂纹成核、微空腔形成以及松质骨网络中裂纹的渐进演化。
2.3 拉伸
拉伸或拉拔实验是评估材料单轴拉伸行为的基本力学测试类别，提供关于拉伸强度、弹性、延展性和损伤演化的关键信息。拉伸测试的直接实施和结果清晰解释使其在多种情况下备受青睐。常见变体是劈裂拉伸（巴西）测试，广泛用于混凝土等材料。
拉伸与SR microCT的结合允许监测加载过程中内部材料行为，促进微结构变化、损伤起始和裂纹扩展的观察。有研究进行原位拉拔实验以理解腱-骨插入（附着部）的生物力学，因为这些区域易发生高应力和复杂三维变形。研究中，小心解剖小鼠后肢以保持跟腱及其附着腓肠肌完整。此标本安装在专为SR microCT兼容设计的特制拉伸测试装置内。通过DVC和解剖特征手动追踪分析重建体积，研究人员观察到附着部远端区域应变浓度持续高于近端区域。此外，漂洗（水化）标本表现出明显较低的模量，强调了组织水化对力学响应的显著影响。
2.4 纳米压入
纳米压入是一种在纳米尺度测量材料力学性质的技术，通过将锋利压头（通常为已知几何形状的金刚石尖端）在受控载荷下压入材料。从所得力-位移数据可导出硬度、弹性模量、应变硬化、断裂韧性和粘弹性响应等性质。由于压入深度和接触面积均在纳米范围，接触面积从压头几何形状和压入深度间接估计。
主要输出为载荷-位移（力-深度）曲线。加载过程中曲线显示弹性后继以塑性变形，卸载则显示部分弹性恢复。最大载荷处卸载曲线斜率（接触刚度）结合接触面积，使用Oliver和Pharr方法给出折合弹性模量。硬度计算为最大载荷除以接触面积。
纳米压入已用于生物组织研究，以及离体器官（如肾脏、肝脏、脾脏和子宫）刚度的实用评估。此技术可进一步与同步辐射CT装置集成以观察加载过程中结构变化。有研究进行纳米压入以理解鲨鱼椎骨如何作为生物弹簧，在游泳过程中存储和释放能量而不造成永久性损伤。椎骨切片（80-100 μm厚）从后中心体制备、刨平并粘贴在金属销上，抛光面朝上。这些直接安装在nanoCT系统旋转台上，使用金刚石Berkovich尖端以位移控制协议进行压入。压入前、压入期间和压入后采集全层析数据集。该实验结果突出了鲨鱼矿化软骨纳米结构对增强损伤耐受性的重要性。
2.5 吸湿
原位吸湿实验结合原位SR microCT涉及材料与流体相互作用时的成像和定量分析。吸湿腔室能够实时或定期监测水穿透和分布。此类实验通过揭示生物材料如何响应体内类似的水丰富环境（通常与其干燥状态显著不同），提供生物学现实的洞察。吸湿影响支架或植入物的力学性能、孔隙率和内部连通性，使科学家能够预测其体内性能。此外，材料界面处水的结构影响蛋白质吸附、细胞粘附和组织整合，使实时成像对优化生物相容性和再生潜力至关重要。
理解这些吸湿诱导变化也指导了药物输送和组织工程等靶向医疗应用先进生物材料的合理设计。有研究旨在理解吸湿如何影响两种不同孔结构的双相磷酸钙合成骨移植材料的三维结构。实验在Pohang Light Source-II（PLS-II）的6C生物医学成像（BMI）束线进行。实验揭示吸湿在两种材料中诱导了不同的体积变化，凸显了微结构变化对吸湿响应的影响，表明内部孔隙率和连通性影响水摄取。
2.6 腐蚀腔室-生物反应器
除物理力应用外，组织生物功能与其化学环境密切相关。因此，监测样品对流体相互作用和化学降解的响应同等关键。多尺度成像技术对于获得功能材料动态行为的洞察至关重要，如新型镁（Mg）合金在人体临时植入中的生物降解。这些合金被认为是传统植入材料（如不锈钢和钛）的有前景替代品，因为后者常需二次手术取出，存在随时间增加的植入排斥风险。然而，Mg及其合金的快速降解对其植入应用构成重大挑战，材料可能在周围组织充分愈合前过快劣化。此外，由于Mg降解改变周围化学环境，必须仔细管理降解速率以引发有益的组织响应。
某研究介绍了专为首次SR nanoCT成像设计的流通池系统，用于模拟生理条件下的银丝降解。此流通池整合入PETRA III P05成像束线的nanoCT站。该束线可用的全场纳米成像方法包括带泽尼克相衬的透射X射线显微镜（TXM）和近场全息层析（NFHT）。该工作比较了TXM和NFHT在成像和分割性能方面。成像程序中，从Mg-4Ag卷取1 mm丝（直径80 μm）用紫外固化胶粘贴在样品支架上。模拟体液（SBF-JL2）在无菌条件下制备为双组分溶液，搅拌加热至37°C，pH自动调节至7.4。乙醇消毒后以2 mL/min流速15分钟进行初始扫描。后续以1 ml/min连续流动定期采集Mg-4Ag丝降解扫描。比较实验在室温进行。结果强调了维持生理条件（特别是温度和pH水平）在降解实验中的关键作用。室温测试表现出不同降解行为，强调了准确模拟体内条件以确保可生物降解材料有意义观察的必要性。
先前已证明Mg合金的腐蚀性质适用于生物环境，防止不受控的氢形成或pH变化。有研究设计了定制生物反应器耦合流通腔，使用SR microCT研究镁银合金（Mg-2Ag）的降解。小圆柱形Mg-2Ag销持续浸没于补充10%胎牛血清的改良Eagle培养基（α-MEM）中。为复现生理条件，流通腔室连接维持无菌、调节氧浓度、pH、温度并确保样品上恒定的1 ml/min流速的生物反应器系统。腐蚀池本身由PEEK制造，因其机械强度、热稳定性、射线透明性和同步辐射能量下低吸收性而被选用。腔室壁减薄至1 mm以最小化X射线衰减，入口处的Peltier加热元件维持培养基温度稳定。研究证明了流动条件加速腐蚀 compared to 静态浸泡测试，强调了模拟生理流体动力学在评估可生物降解植入材料时的重要性。
除金属降解外，专用环境腔室和流通池越来越多地用于研究聚合物临床膜在模拟生理流下的血液相容性。这些原位实验主要在欧洲同步辐射装置（ESRF）的ID19束线进行。同步辐射源提供的高光子通量允许内部膜结构重建为离散层，每层对应系统5.5 μm的最小分辨率。这种逐层定量分析有助于识别竞争性吸附和污染最严重的特定感兴趣区域，为传统离体组织学评估提供非破坏性替代。
2.7 射线照相
除上述更通用的原位技术外，还存在概念上为特定目标设计、不归属于广泛方法类别的原位实验。例如，有实验制备了带3 mm深孔洞的不同直径人下颌中切牙，用双固化树脂复合物填充预备窝洞，立即进行X射线射线照相监测聚合早期材料行为。此阶段允许连续可视化粒子运动、孔隙行为和限定窝洞内应力发展。聚合活性稳定后对同一样品进行CT扫描以重建最终三维结构。实验证明了窝洞几何对残余应力发展和缺陷形成的强烈影响，较小窝洞特别易发生应力集中和分层，强调了修复牙科学中窝洞设计的重要性。
总结而言，原位实验可广泛分为两类：旨在对样品施加机械力的实验和旨在诱导化学变化的实验。此外，某些原位实验高度针对特定案例，不属于任一类别。
3. 后处理与数据分析
后处理是原位X射线CT研究的关键阶段，将原始实验数据转化为定量有意义的结果。CT采集后，原始数据包括一系列放射投影，首先重建为二维切片序列以形成三维体积。束线可用时，相位恢复算法可在此重建阶段应用以增加图像对比度并促进图像分割。随后，独立重建的切片组装为三维数据集。此阶段还可进行图像去噪和对比度增强以改善感兴趣特征的可见性。超越这些必要步骤，进一步数据处理的选择强烈取决于实验的科学目标，根据关注时间相关性、形态表征还是定量建模选择不同后处理策略。
超越传统去噪滤波器，先进自监督深度学习方法已成为减轻纵向原位评估中辐射诱导损伤的关键策略。突出技术是Noise2Inverse（N2I），无需无噪声"真值"参考即可从低剂量扫描生成高质量去噪重建。N2I通过将单幅噪声正弦图分割为子重建并训练卷积神经网络（CNN）在其间映射，有效分离非相关噪声。
DVC是用于通过比较不同力学状态下采集的体积图像来量化材料内部变形和应变的强大计算技术。DVC通过追踪体积对之间局部图像纹理变化估计样品内三维位移场。这些方法可分为两类：局部分析方法，使用块匹配技术独立分析小子体积；全局方法，使用变分框架考虑整个体积的变形场。使用二维数据集而非三维数据体积时，建立时间相关性的技术称为数字图像相关（DIC）。
原位microCT结合DVC是目前唯一允许对生物组织和工程支架内部进行全场三维应变测量而不破坏样品的实验方法。这使其在硬组织和软组织以及复合和多孔生物材料研究中得到广泛应用。DVC的能力和应用近年来显著增长，技术已从简单局部追踪方法发展为复杂全局和集成公式。全局DVC中，位移连续性在整个样品上强制执行，可引入弹性或基于有限元的正则化等力学约束以提高稳健性和精度。
除常规去噪外，机器学习方法和CNN（包括U-Net架构）在复杂微结构和低对比度数据集的自动分割中日益重要。这些工具对于小梁骨、骨细胞陷窝、孔隙和裂纹网络的分析特别有用，其中手动分割可能耗时过多。基于CNN的分割方法已在骨陷窝识别微损伤和微尺度孔隙度研究中得到应用。
分割后通常使用FIJI/ImageJ和Dragonfly 3D World等软件包进行形态计量分析。骨研究中，BoneJ衍生参数如骨体积分数（BV/TV）、小梁厚度和连接密度常被评估。多孔支架定量分析通常包括孔径分布和孔连通性。在陷窝尺度，参数如陷窝体积、取向、拉伸、扁率和数密度用于表征骨细胞形态和局部组织组织。
裂纹实验的后处理工作流程还可能包括裂纹检测和断裂分析。自动裂纹检测算法能够量化原位力学测试硬材料过程中裂纹长度、取向和扩展速度。定量断裂分析常纳入断裂力学参数如裂纹尖端张开位移、裂纹张开位移和应力强度因子。这些分析对研究骨和生物材料中损伤累积和失效机制尤为重要。
有限元分析（FEA）常与实验成像数据相结合以验证力学观察并计算无法直接实验测量的量。基于图像的有限元分析模型可直接从分割CT体积生成，允许模拟生理或机械加载条件下的局部应力-应变分布。实验成像与数值建模的集成能够验证断裂预测、反作用力和变形模式，同时提供裂纹起始位点附近内部应力分布的洞察。
4. 讨论
本综述聚焦于结合原位研究与同步辐射成像以解决各种力学生物学和生物材料相关问题的强大潜力。文献证据表明，此类实验的成功取决于三个要素的精心组合：（i）能够提供高光子通量确保足够时间和空间分辨率、适当相干水平以实现相衬成像并提供灵活成像模式的束线；（ii）与束线几何兼容、能够精确可控加载的机械或环境装置；（iii）平衡空间和时间分辨率需求与样品稳定性和辐射剂量的采集策略。
现代同步辐射束线设计具有高实验灵活性，使装置能够适应不同成像模式和样品类型。例如，PETRA III的P05束线证明理想适用于跟腱成像的微米尺度实验和鲨鱼椎骨软骨纳米压入的纳米尺度研究。SYRMEP束线使研究者能够捕捉微裂纹。TOMCAT因其在不同加载协议（连续vs阶梯式）下获取高速高分辨率扫描的能力被选用于软骨和半月板压缩评估。Diamond的I13-2束线利用快速飞行扫描模式，使研究者能够捕捉连续加载过程中的实时应变演化，这在使用更慢阶梯式采集时不可能实现。
束线的灵活性对于在自身装置内容纳定制机械和环境设备至关重要。这意味着实验棚应有足够空间。综述研究表明，定制微压缩装置、流变仪和吸湿腔室在复现生理相关条件时至关重要。
将力学测试与同步辐射成像结合的主要原因是其能够在微米或亚微米分辨率尺度观察特征的动态变化，这通常是宏观力学测试所忽视的。这些实验的价值不仅在于数据采集，还在于从产生的大型数据集中提取定量洞察的复杂后处理工作流程。例如，Buccino等使用了阶梯加载、高分辨率层析和基于深度学习的裂纹分割CNN的组合，自动检测和分类松质骨中的微裂纹。此方法实现了裂纹密度、取向和起始位点的量化，以及其与局部小梁结构的相关性。其他研究表明，原位SR成像能够量化形态计量参数如孔隙率、连通性、陷窝密度和形状描述符（如拉伸、扁率）以及管网和微裂纹厚度。除骨外，类似工作流程已应用于测量水化支架的孔体积、连通性和形态变化，半月板组织中的胶原纤维取向，以及镁基合金的降解动力学。
其他后处理方法如DVC发挥关键作用，实现样品内三维位移和应变的全场测量，通过比较不同加载步骤采集的层析体积。这使研究人员能够映射异质性应变分布，识别局部变形区域，并将其与潜在微结构特征相关联。Pe?a Fernández等将DVC应用于连续压缩期间连续扫描，得以分辨杆状和板状小梁之间的应变局部化并分析渐进损伤累积。Dejea等将原位成像与三维配准和DVC结合以监测压缩下半月板纤维重排和基质压实，直接将微结构重组与宏观力学响应相关联。这些研究共同展示了先进图像分析流程（包括配准、滤波、分割、DVC，有时还有机器学习）如何原始层析数据转化为变形、损伤和组织适应的定量描述符，提供了远比单独全局应力-应变曲线更深入的力学生物学理解。这些洞察远超离体成像（仅限于前后快照）或DIC等表面技术所能提供的，因为后者无法探测内部结构的完整三维演化。
因此，根据具体科学问题定制实验装置和束线参数的能力是同步辐射光原位成像研究的决定性优势。通过适当的实验设计和对可用束线能力的理解，这些装置可适应调查广泛的现象，跨越不同材料和长度尺度。这种层级灵活性的一个领先例子是巴西第四代同步辐射光源Sirius的MOGNO束线，专门优化用于异质和层级样品的原位实验。其锥束几何实现"放大层析"技术，允许对单个完整标本在无需物理调整或重新定位的情况下进行大范围空间分辨率（从55 μm到120 nm）的成像。然而，这种高度灵活性也凸显了一个关键挑战：结果本质上是实验特定的，跨研究不总是直接可比。这强调了详细报告束能量、像素尺寸和样品-探测器距离的重要性，因为这些参数对相衬、空间分辨率和辐射剂量有关键影响。
全球同步辐射设施格局提供了多样化的专业终端站，进一步扩展了原位SR CT在生物、地球和材料科学中的覆盖范围。例如，先进光源（ALS）的8.3.2束线为多参数地球科学研究提供高度灵活环境，利用定制细胞结合高温、高压和反应流以监测油页岩热解或超临界CO
2排水等实时现象。对比之下，对于需要极端时间分辨率的调查，APS的IMPULSE系统利用移动气枪以单次80 ps X射线脉冲捕捉材料失效和裂纹扩展的"冲击电影"。此类高速成像也是ESRF ID19等设施的标志性特征，粉红光束配置使得能够以毫秒间隔追踪先进复合材料的拉伸失效。区域能力也正通过澳大利亚光源的新Micro-Computed Tomography（MCT）束线得到增强，该束线在白色、粉红和单色模式下提供近平行X射线束，实现微米级空间分辨率，用于广泛的生命科学应用。此外，SPring-8仍是该领域的基石，BL47XU、BL20XU和BL20B2等束线支持高分辨率成像；该设施的SPring-8-II升级承诺提供比当前波荡器源亮两个数量级的超亮束以推动4D成像的极限。这些基础设施连同上海同步辐射装置（SSRF）的BL13HB束线等专业站，正日益与先进建模集成以推动该领域向高保真4D材料表征发展。
尽管原位力学实验日益多样化，扭转测试在文献中仍明显代表性不足。这可归因于此类实验的机械复杂性：设计扭转或拉伸加载期间安全固定样品的夹持系统特别具有挑战性。夹具必须确保旋转精度并防止滑移或样品损伤，其几何和材料性质必须适应每种特定样品类型。扭转变形所需的高机械精度，结合实验棚内的空间限制，进一步使此类设备集成到同步辐射束线复杂化。
关于光束的另一个关键考虑是：尽可能应优先选择单色光，因其实现采集数据的定量分析并最小化束 hardening 等伪影。然而，许多同步辐射设施单色化后无法达到足够光子能量穿透致密或大型样品，因此实验常依赖粉红或白光配置。虽然此设置允许更高通量和更短曝光时间（对动态或高速采集至关重要），但可能限制定量准确性并使剂量估计复杂化。
同步辐射成像期间维持适当样品条件代表另一重大挑战，特别是处理生物组织时。理想情况下，标本应保持在尽可能模拟其生理环境的条件下，以保留其本征力学和结构性质。然而，X射线暴露期间维持此类条件远非易事。高光子通量可在流体介质中诱导气泡形成或蒸发，导致不期望的运动伪影和对比度波动，降低图像质量。相反，空气中成像提供更大稳定性和对比度，但以潜在脱水和组织结构改变为代价。在维持生理相关条件确保最佳成像质量之间取得适当平衡仍是开放和活跃的研究领域，特别是在旨在捕捉水化生物材料真实变形和失效机制的研究中。
最后，在束线上进行原位实验涉及一系列超越样品制备和数据采集的实际挑战。原位测试腔室和外部设备必须在非常精细的水平上优化。例如，安装外部机械或环境装置通常需要通过拥挤的棚室布线电缆和控制系统，这可能导致缠绕或引入影响图像质量的电子噪声。此外，这些外部设备的控制系统应理想集成到束线操作软件中。当缺乏这种集成时，实验者必须在采集期间手动触发加载步骤或激活系统，增加实验持续时间并降低机械刺激与图像捕获之间的同步性。束线控制与原位测试设备之间的无缝集成因此对确保实验效率和数据一致性至关重要。
