除武術(shù)之外，在現(xiàn)實生活中 “剛?cè)岵?于很多條件下很難實現(xiàn)。骨整合是牙種植體發(fā)揮功能的基石，而負(fù)荷過載又是導(dǎo)致種植體周圍骨吸收的重要原因，如何在提升剛性骨整合的同時 “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、藥物對種植體的表面進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 | 牙齒護理場景（來源：Pixabay）

近日，中國科學(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圍膜（peri-implant ligaments，PIL），這種 PIL 由聚合物浸潤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。

種植體周圍膜與人體牙周膜具有相類似的結(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。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，減少種植體周圍骨組織應(yīng)力約 30%。

圖 | PIL 的合成方法（來源：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)種植體周圍膜》（An 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)材料實驗室教授鄧旭亮、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）等團隊合作完成。

圖｜鄧旭亮（左）、郭林（右）（來源：鄧旭亮、郭林）

該成果成功揭示了仿生種植體 PIL 可以同時兼顧骨整合和能量耗散的特性，其周圍膜既能幫助種植體在承重方面提供一定的支持，也能防止過度負(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型的硬質(zhì)生物材料中，這為開發(fā)新的具有延長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會。

受人體牙周組織啟發(fā)，制備出仿生種植體周圍膜

該團隊主要圍繞“骨整合”進一步做研究，針對牙列缺損或缺失需要進行種植修復(fù)的人群提供了新型的種植體修復(fù)設(shè)計選擇。

目前有許多研究顯示鈦和鈦合金可以用來替代并修復(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械強度方面都有一些差別，因而在實際應(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：通過使用機械性能更接近天然骨的改性層，以實現(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，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似的牙周膜作為力學(xué)緩沖層，因此當(dāng)咬合過程中咬合力過大時可能會破壞骨整合，進一步引起骨損失。因而在種植體周圍需要一層具備能量耗散性能的結(jié)構(gòu)以防止負(fù)荷過載帶來的不良后果。

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，又要同時實現(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解決這一難題，試圖找到一種既有與頜骨力學(xué)強度適配又兼具內(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（來源：Advanced Materials）

制備這種仿生種植體周圍膜，首先需要在傳統(tǒng)的鈦種植體基板上電化學(xué)合成無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，還需要在無定形二氧化鈦和鈦基板之間引入致密氧化層，以增強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圍膜中無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自于無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自于在種植體周圍膜受力學(xué)沖擊的時無定形納米管，柔性殼聚糖分子的力傳遞過程復(fù)雜性以及聚合物材料和納米管的相對滑移，從而通過這樣的納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時實現(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?！?/p>

圖｜程寰宇（來源：程寰宇）

考慮仿生在實際應(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，在無定形二氧化鈦和鈦基板之間引入致密氧化層以增強兩者之間的界面作用力，以防止在受力過程中種植體周圍膜從種植體表面脫落；當(dāng) PIL 受載荷沖擊的無定形納米管陣列，柔性殼聚糖分子的力傳遞過程的復(fù)雜性以及聚合物材料和納米管的相對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，該團隊還專門做了一個實驗對比，來進一步分析這個原理。

因為人們在吃東西時，并不是一個固定的狀態(tài)，或者說吃不同東西狀態(tài)可能也不一樣。為此，該團隊通過模擬“一直咬住食物、連續(xù)咀嚼食物和瞬時咬合”這三種典型工作情況，檢測 PIL 在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(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制（來源：Advanced Materials）

第一，為了模擬 “一直咬住食物” 時PIL的工作情況，該團隊利用納米壓痕儀器在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，研究種植體周圍膜發(fā)生塑性變形形式下的力學(xué)耗散情況，研究發(fā)現(xiàn)壓痕形貌不會產(chǎn)生微觀裂紋或裂紋擴展的現(xiàn)象。此外，PIL 在塑性變形時能量耗散率超過了 80%，比無 PIL 種植體能吸收了更多的機械能，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PIL的工作情況，該團隊利用納米壓痕儀器在動態(tài)條件下，研究 PIL 在一定頻率范圍內(nèi)連續(xù)機械載荷下的能量耗散特性，研究發(fā)現(xiàn)測量的平均損失因子（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 “瞬時咬合” 時 PIL 的工作情況，該團隊在納米尺度下，通過有限元模擬（Finite Element Modeling ，F(xiàn)EM）模擬了受到動態(tài)載荷時的 PIL 中的應(yīng)力波衰減過程。相比之下，無 PIL 的鈦種植體剛度較高，阻尼能力較低，動態(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現(xiàn)骨整合，除了能量耗散更為有效以外，它的機械強度和楊氏模量相比鈦也更接近于人體的骨組織。”

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減小，對于種植物周圍膜應(yīng)力降低可達(dá) 30%，優(yōu)于其他文獻所報告的成果。

圖｜PIL 與其他材料的性能比較（來源：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，早已有人提出仿生學(xué)設(shè)計種植體的概念，但是在種植體中的實現(xiàn)并不多見?！?/p>

圖｜杜婧（來源：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，很好的實現(xiàn)了能量耗散，在強度、模量上面可以更好的更匹配人體骨骼。

未來，有望在臨床口腔、航空及軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

該團隊還在大鼠的股骨做了生物相容性及骨整合性能試驗，通過數(shù)周的植入沒有出現(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。

目前來看，該團隊所制備的仿生植入物周圍膜應(yīng)該在牙齒方面使用的最多或最容易落地，因為大部分人可能都會遇到牙齒相關(guān)的問題，某種程度來講甚至是一種剛需。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應(yīng)的使用場景。

圖｜PIL 誘導(dǎo)的成骨行為（來源：Advanced Materials）

此外，受市場價格波動影響，該研究成果在實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)良的特點可以獲得消費者廣泛青睞，如果價格太過昂貴，人們的消費熱情反而會下降。

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)計一種能量耗散種植體來消除過載損傷和防止骨吸收的策略，將 PIL 整合到各類硬質(zhì)生物材料中，可為開發(fā)新的“具有延長壽命和改善功能的硬質(zhì)組織替代品”提供良好契機。

長遠(yuǎn)來看，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

來源：麻省理工科技評論