北大北航聯(lián)手研發(fā)首個(gè)“仿生種植體牙周膜”,實(shí)現(xiàn)“剛?cè)岵?jì)”,同時(shí)克服骨整合和能量耗散難題
除武術(shù)之外,在現(xiàn)實(shí)生活中 “剛?cè)岵?jì)” 于很多條件下很難實(shí)現(xiàn)。骨整合是牙種植體發(fā)揮功能的基石,而負(fù)荷過(guò)載又是導(dǎo)致種植體周?chē)俏盏闹匾?,如何在提升剛性骨整合的同時(shí) “四兩撥千斤” 化解載荷應(yīng)力,是提升牙種植體臨床壽命的關(guān)鍵。
為解決這一難題,之前大多數(shù)研究基本都立足于改變種植體表面拓?fù)湫蚊?,或者使用化學(xué)小分子、藥物對(duì)種植體的表面進(jìn)行功能改性以提高種植體與骨整合的能力。然而,這些方法在種植體表面能量耗散上收效甚微。
圖 | 牙齒護(hù)理場(chǎng)景(來(lái)源:Pixabay)
近日,中國(guó)科學(xué)家從 “牙周膜” 中獲得靈感,創(chuàng)造了一種可成骨和耗能的種植體周?chē)ぃ╬eri-implant ligaments,PIL),這種 PIL 由聚合物浸潤(rùn)的氧化鈦納米管非晶陣列組成,并可作為耗能和骨誘導(dǎo)單元。
種植體周?chē)づc人體牙周膜具有相類(lèi)似的結(jié)構(gòu)層次,具有良好的成骨誘導(dǎo)能力,其能量耗散能力也頗具優(yōu)勢(shì)。PIL 相比于純鈦種植體可以在提高18%種植體-骨結(jié)合率的同時(shí),減少種植體周?chē)墙M織應(yīng)力約 30%。
圖 | PIL 的合成方法(來(lái)源:Advanced Materials)
9 月 27 日,相關(guān)論文以《結(jié)合骨整合和能量耗散的非晶態(tài)種植體周?chē)ぁ罚ˋn Amorphous Peri-Implant Ligament with Combined Osteointegration and Energy-Dissipation)為題發(fā)表在 Advanced Materials 上[1]。
圖 | 相關(guān)論文(來(lái)源:Advanced Materials)
該研究由北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院及北京生物醫(yī)學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室教授鄧旭亮、衛(wèi)彥與北京航空航天大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院教授郭林、加利福尼亞大學(xué)加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系教授羅伯特·里奇(Robert O. Ritchie)等團(tuán)隊(duì)合作完成。
圖|鄧旭亮(左)、郭林(右)(來(lái)源:鄧旭亮、郭林)
該成果成功揭示了仿生種植體 PIL 可以同時(shí)兼顧骨整合和能量耗散的特性,其周?chē)ぜ饶軒椭N植體在承重方面提供一定的支持,也能防止過(guò)度負(fù)荷所引起的骨損失。研究人員此次提出的制備策略,很有可能被整合到各種類(lèi)型的硬質(zhì)生物材料中,這為開(kāi)發(fā)新的具有延長(zhǎng)壽命和改善功能的硬質(zhì)組織替代品提供了巨大的潛在機(jī)會(huì)。
受人體牙周組織啟發(fā),制備出仿生種植體周?chē)?/h1>
該團(tuán)隊(duì)主要圍繞“骨整合”進(jìn)一步做研究,針對(duì)牙列缺損或缺失需要進(jìn)行種植修復(fù)的人群提供了新型的種植體修復(fù)設(shè)計(jì)選擇。
目前有許多研究顯示鈦和鈦合金可以用來(lái)替代并修復(fù)體內(nèi)的硬組織(如骨、牙齒等)缺損所導(dǎo)致疾病,也是最為重要的口腔種植體材料。
但是鈦和鈦合金與天然骨從機(jī)械強(qiáng)度方面都有一些差別,因而在實(shí)際應(yīng)用方面并不是最優(yōu)選擇。在此大背景之下,該研究提供了一種新思路:通過(guò)使用機(jī)械性能更接近天然骨的改性層,以實(shí)現(xiàn)力學(xué)能量耗散。
力的支撐和能量耗散在骨整合中的重要性如下:
一是種植體恢復(fù)咀嚼功能時(shí),種植體與骨之間形成穩(wěn)定骨結(jié)合是為牙齒提供咬合力支持的關(guān)鍵。
二是種植體與骨結(jié)合后缺乏與天然牙類(lèi)似的牙周膜作為力學(xué)緩沖層,因此當(dāng)咬合過(guò)程中咬合力過(guò)大時(shí)可能會(huì)破壞骨整合,進(jìn)一步引起骨損失。因而在種植體周?chē)枰粚泳邆淠芰亢纳⑿阅艿慕Y(jié)構(gòu)以防止負(fù)荷過(guò)載帶來(lái)的不良后果。
既要保證種植修復(fù)足夠穩(wěn)定從而能承受一定的支撐力,又要同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量耗散比較難。而該研究的有趣之處在于,具備力學(xué)緩沖作用的天然牙周膜來(lái)解決這一難題,試圖找到一種既有與頜骨力學(xué)強(qiáng)度適配又兼具內(nèi)部緩沖結(jié)構(gòu)的材料,將它們結(jié)合在一起進(jìn)行能量耗散,也就是該研究中所提到的“PIL”。
圖|PIL 的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能(來(lái)源:Advanced Materials)
制備這種仿生種植體周?chē)?,首先需要在傳統(tǒng)的鈦種植體基板上電化學(xué)合成無(wú)定形二氧化鈦納米管陣列;其次,為了保證在口腔臨床中的應(yīng)用,還需要在無(wú)定形二氧化鈦和鈦基板之間引入致密氧化層,以增強(qiáng)兩者之間的界面作用力;最后,在二氧化鈦的納米管里面填充上較軟的聚合物材料。
該策略的基本原理是讓種植體周?chē)ぶ袩o(wú)定形氧化鈦納米管陣列復(fù)合柔性高分子作為骨整合和力學(xué)耗散的基本單元,良好的骨整合能力主要來(lái)自于無(wú)定形納米管陣列提供的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以及生物相容性良好的低交聯(lián)密度的親水性殼聚糖分子;而優(yōu)異的耗散能力則是來(lái)自于在種植體周?chē)な芰W(xué)沖擊的時(shí)無(wú)定形納米管,柔性殼聚糖分子的力傳遞過(guò)程復(fù)雜性以及聚合物材料和納米管的相對(duì)滑移,從而通過(guò)這樣的納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了骨整合和能量耗散的基本功能。
賓夕法尼亞州立大學(xué)助理教授程寰宇表示:“我覺(jué)得他們從人體牙齒是如何軟硬結(jié)合的角度研究‘仿生’,雖然基于納米復(fù)合材料的 PIL 沒(méi)有完全復(fù)現(xiàn)人牙齒和牙周組織的軟硬結(jié)合,但是效果已經(jīng)很不錯(cuò)?!?/p>
圖|程寰宇(來(lái)源:程寰宇)
考慮仿生在實(shí)際應(yīng)用中的困難, 此工作中 PIL 為了保證在口腔臨床中的應(yīng)用,在無(wú)定形二氧化鈦和鈦基板之間引入致密氧化層以增強(qiáng)兩者之間的界面作用力,以防止在受力過(guò)程中種植體周?chē)姆N植體表面脫落;當(dāng) PIL 受載荷沖擊的無(wú)定形納米管陣列,柔性殼聚糖分子的力傳遞過(guò)程的復(fù)雜性以及聚合物材料和納米管的相對(duì)滑移都是能量耗散的原因。
該研究之所以選擇牙周膜(Periodontal Ligaments,PDLs)作為研究對(duì)象,最主要的目的是希望制備仿生牙周膜,以模擬其在力學(xué)耗散上的重要作用。
迄今為止綜合性能最好的植入物,高效解決骨整合和能量耗散難題
在能量耗散,該團(tuán)隊(duì)還專(zhuān)門(mén)做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,來(lái)進(jìn)一步分析這個(gè)原理。
因?yàn)槿藗冊(cè)诔詵|西時(shí),并不是一個(gè)固定的狀態(tài),或者說(shuō)吃不同東西狀態(tài)可能也不一樣。為此,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬“一直咬住食物、連續(xù)咀嚼食物和瞬時(shí)咬合”這三種典型工作情況,檢測(cè) PIL 在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下的能量耗散特性。
圖|PIL 模擬天然牙周膜帶三種典型的咬合機(jī)制(來(lái)源:Advanced Materials)
第一,為了模擬 “一直咬住食物” 時(shí)PIL的工作情況,該團(tuán)隊(duì)利用納米壓痕儀器在準(zhǔn)靜態(tài)條件下,研究種植體周?chē)ぐl(fā)生塑性變形形式下的力學(xué)耗散情況,研究發(fā)現(xiàn)壓痕形貌不會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋或裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象。此外,PIL 在塑性變形時(shí)能量耗散率超過(guò)了 80%,比無(wú) PIL 種植體能吸收了更多的機(jī)械能,從而表現(xiàn)出與天然牙周膜高度相似的能量耗散能力。
第二,為了模擬 “連續(xù)咀嚼食物” 時(shí)PIL的工作情況,該團(tuán)隊(duì)利用納米壓痕儀器在動(dòng)態(tài)條件下,研究 PIL 在一定頻率范圍內(nèi)連續(xù)機(jī)械載荷下的能量耗散特性,研究發(fā)現(xiàn)測(cè)量的平均損失因子(tanδ)的大小大約是傳統(tǒng)鈦種植體在不同頻率條件下的 5 倍。
第三,為了模擬 “瞬時(shí)咬合” 時(shí) PIL 的工作情況,該團(tuán)隊(duì)在納米尺度下,通過(guò)有限元模擬(Finite Element Modeling ,F(xiàn)EM)模擬了受到動(dòng)態(tài)載荷時(shí)的 PIL 中的應(yīng)力波衰減過(guò)程。相比之下,無(wú) PIL 的鈦種植體剛度較高,阻尼能力較低,動(dòng)態(tài)能量耗散能力較弱,所以在臨床應(yīng)用中也容易導(dǎo)致骨損失。
程寰宇表示:“使用納米復(fù)合材料可以比較有效地實(shí)現(xiàn)骨整合,除了能量耗散更為有效以外,它的機(jī)械強(qiáng)度和楊氏模量相比鈦也更接近于人體的骨組織?!?/p>
該研究揭示的這種仿生結(jié)構(gòu)在模量、硬度上更接近于頜骨,當(dāng)仿生種植物和本身骨頭的接觸面積增大后,物體之間的正壓力就會(huì)減小,對(duì)于種植物周?chē)?yīng)力降低可達(dá) 30%,優(yōu)于其他文獻(xiàn)所報(bào)告的成果。
圖|PIL 與其他材料的性能比較(來(lái)源:Advanced Materials)
賓夕法尼亞州立大學(xué)助理教授杜婧也表示:“仿生學(xué)的概念存在已久,基于牙齒及牙周膜的材料力學(xué)特點(diǎn),早已有人提出仿生學(xué)設(shè)計(jì)種植體的概念,但是在種植體中的實(shí)現(xiàn)并不多見(jiàn)?!?/p>
圖|杜婧(來(lái)源:杜婧)
總之,該研究利用軟硬材料各自的特性將它們結(jié)合在一起,很好的實(shí)現(xiàn)了能量耗散,在強(qiáng)度、模量上面可以更好的更匹配人體骨骼。
未來(lái),有望在臨床口腔、航空及軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用
該團(tuán)隊(duì)還在大鼠的股骨做了生物相容性及骨整合性能試驗(yàn),通過(guò)數(shù)周的植入沒(méi)有出現(xiàn)任何異常情況。
另一方面,PIL的表面拓?fù)湫蚊埠陀H水成分誘導(dǎo)成骨相關(guān)機(jī)械感受通路(FAK/MAPK)及(YAP)入核高表達(dá),與傳統(tǒng)鈦種植體相比,種植體-骨結(jié)合率提升 18%,使其兼具生物力學(xué)相容性和骨整合性。
目前來(lái)看,該團(tuán)隊(duì)所制備的仿生植入物周?chē)?yīng)該在牙齒方面使用的最多或最容易落地,因?yàn)榇蟛糠秩丝赡芏紩?huì)遇到牙齒相關(guān)的問(wèn)題,某種程度來(lái)講甚至是一種剛需。還有身體里面其他骨骼部位出現(xiàn)破壞的時(shí)候,也可以將研究中所提到的 PIL 植入,然后讓它再生,因此在臨床上可以比較容易找到相對(duì)應(yīng)的使用場(chǎng)景。
圖|PIL 誘導(dǎo)的成骨行為(來(lái)源:Advanced Materials)
此外,受市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)影響,該研究成果在實(shí)際落地方面可能存在一些阻力。以牙齒應(yīng)用為例,PIL 的兼容性和持久性優(yōu)良的特點(diǎn)可以獲得消費(fèi)者廣泛青睞,如果價(jià)格太過(guò)昂貴,人們的消費(fèi)熱情反而會(huì)下降。
在性能方面,核心要關(guān)注生產(chǎn)樣本之間的差異,如果 PIL 的高精度、高性能特性能在批量生產(chǎn)下仍可得到保持,其商業(yè)化前景值得期待。
因此,設(shè)計(jì)一種能量耗散種植體來(lái)消除過(guò)載損傷和防止骨吸收的策略,將 PIL 整合到各類(lèi)硬質(zhì)生物材料中,可為開(kāi)發(fā)新的“具有延長(zhǎng)壽命和改善功能的硬質(zhì)組織替代品”提供良好契機(jī)。
長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,PIL 有望為臨床醫(yī)學(xué)、航空工業(yè)和軍事等領(lǐng)域的吸聲、減振、柔性絕緣精密微尺度儀器帶來(lái)廣泛的技術(shù)意義。
參考:
1. Junyu Hou et al., Adv. Mater. 2021,2103727
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103727
來(lái)源:麻省理工科技評(píng)論


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