具有优异机械强度和抗疲劳性的金属植入物是重建生理功能的硬组织替代物的主要选择。植入物的首要要求是骨整合，它实现了与周围骨骼的锚固，以支持日常的承重应用。然而，在长期的使用过程中，已建立的骨整合可能会被过载严重破坏，这是后来植入物失效的主要风险。因此，设计一种能量耗散的植入物来消除过载损伤是一种很有前途的预防骨损伤的策略。然而，现有的种植体只能单独实现骨整合或能量消散。在发展金属植入物作为永久性硬组织替代物的过程中，既需要骨整合来实现承重支撑，也需要能量消耗来防止超负荷引起的骨吸收。然而，在现有的植入物中，这两种特性只能单独实现。经过自然进化的优化，具有纤维束结构的牙齿-牙周韧带（PDLs）可以有效地协调承载和能量消耗，从而使牙齿-骨复合体在极高的咬合载荷(>300N)下拥有更长的寿命。
受牙周组织的启发，北京大学口腔医学院邓旭亮教授、卫彦教授和北京航空航天大学的郭林教授、加利福尼亚大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授合作，通过聚合物浸润无定形二氧化钛纳米管阵列，模拟牙周组织结构，设计制备出仿生种植体周围的人工韧带（PIL），同时实现了骨整合和能量耗散。人工韧带不仅由于其纳米结构和成分提供了优异的成骨诱导性，而且由于力传递模式和界面滑动的复杂性，也产生了类似牙周组织的能量耗散效应。韧带增加了超过18%的骨-种植体接触面积，同时减少了从种植体到种植体周围骨的有效应力转移≈30%（与钛植入物相比），这是迄今为止性能最好的结构。预计人工韧带的概念将为开发高性能的植入材料和延长寿命开辟新的可能性。相关论文以“An Amorphous Peri-Implant Ligament with Combined Osteointegration and Energy-Dissipation”为题，发表在最新一期《Advanced Materials》。
PIL的合成方法、微观结构和力学性能
图1a的结果表明，PIL是在钛（Ti）植入物的周围精心构建的，首先是利用原位阳极氧化生长类似蜂窝的二氧化钛纳米管阵列，然后是额外的阳极氧化形成致密的氧化物夹层，并用交联壳聚糖（CS）进行渗透。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，合成的PIL具有明显类似于自然发生的PDL的层次结构（图1b)。有限元建模（FEM）模拟中的三维剖面图、放大详图和横截面图显示，与传统的钛种植体相比，PIL最大限度地减少了从种植体到种植体周围骨的有效应力传递。这一结果来自于PIL中聚合物渗透的非晶态二氧化钛纳米管阵列单元的牙周模拟能量耗散效应。并且，本文还通过实验筛选优化了纳米管阵列的参数，确定了纳米管阵列的高度为≈9µm和内径≈80 nm具有最高的机械性能、
图1. PIL的合成方法、微观结构和力学性能。
PIL的能量耗散特性
为了进一步探讨PIL模拟天然PDL的应力耐受效应的机制，本文通过模拟三种典型的生理咬合情况，分别是：i）咬入食物，ii）连续咀嚼运动以及iii）瞬时咬合(图2a)。当模拟“咬入食物”的承载效果时，高负荷（20 mN）的纳米压痕试验表明，PIL的外表面发生塑性变形，没有发现可见的微观裂纹或裂纹扩展。在此基础上，本文利用能量耗散指数定量评估了有PDL和没有PDL的Ti基片的能量耗散能力。在PIL中，87.9±2.6%的总能量被塑性变形所消耗，明显高于Ti基片（76.4±2.3%），如图所示2b所示。这表明PIL可以吸收比无PIL植入物更多的机械能，从而表现出与自然PDLs相似的显著的机械功能。
图2.PIL的能量耗散特性
PIL诱导的成骨行为
为了确定PIL是否具有生物相容性，本文研究了PIL对体外培养的大鼠股骨骨髓干细胞（rBMSCs）细胞活力和分化行为的影响。利用细胞计数试剂盒-8（CCK8）测定细胞活力和Cyquant方法，在Ti基质上培养的rBMSCs，Ti与A-TNTs和Ti与PIL的增殖活性没有显著差异。这一结果表明，PIL排除了戊二醛作为交联剂可能产生的不良影响，从而提供了一个生物友好的微环境。
图3.PIL诱导的成骨行为。
PIL与其他材料的性能比较
本文还比较了从种植体到种植体周围的骨和骨-种植体接触的应力传递值，与其他典型或改良钛种植体的接触情况。植入物包含合金和其他植入物涂层材料，包括钛离子处理，含锶选择性激光熔钛（SLM-Sr），含锶微/纳米粗钛（MNT-Sr），用羟基磷灰石（HAP）喷砂和大粒度酸蚀的纳米涂层（SLA和HA）， EGCG-Mg 2+,微弧氧化表面处理过的钛（MST-Ti），聚乳酸羟基磷灰石（PLA-HA），还有HAP(图4a)等等。增强骨整合或能量耗散只能在现有植入物中单独实现。然而，与其他已发表的材料相比，PIL同时显示出更好的骨-种植体接触和从种植体到种植体周围骨的应力降低转移。
图4.PIL与其他材料的性能比较。
小结：与传统的金属植入物相比，PIL可以同时增强了能量消耗和骨整合。这种PIL不仅能帮助种植体获得承重支撑，还能防止超负荷引起的骨吸收。这里提出的方法有可能被集成到各种类型的坚硬的生物材料上，从而为开发寿命更长、功能更完善的新型硬组织替代物提供了很好的机会。此外，本文研制的PIL的基本原理和新的作用机理可能对吸声材料、减振、航空柔性绝缘以及工业和军事应用等精密微尺度仪器具有广泛的技术参考价值。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103727
来源：高分子科学前沿
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