北京科技大学郑裕东教授AFM：仿生聚氨酯关节盘问世

颞下颌关节（TMJ）作为颅面部唯一的滑膜关节，其关节盘在1–10 Hz生理运动频率下通过优异的粘弹性缓冲力学冲击，保护髁突软骨与骨骼。流行病学研究显示，约60%–70%的成人患有颞下颌关节紊乱病（TMD），且多与关节盘损伤相关。传统治疗方案（如关节盘切除术或自体软骨移植）虽能缓解症状，但无法重建天然关节盘的动态力学行为，导致髁突组织长期承受异常应力，加速骨关节炎进展。因此，开发兼具生理形态与动态粘弹性的人工关节盘成为临床修复的关键挑战。

北京科技大学郑裕东教授和北京大学口腔医院贺洋主任医师、陈硕副教授合作成功设计出一种基于主客体相互作用的粘弹性聚氨酯材料（PUCA），并据此制造出仿生人工关节盘。该材料通过环糊精（CD）与金刚烷（Ad）的动态包合作用，在高频变形中产生分子阻尼效应，实现与天然TMJ关节盘匹配的频率依赖性粘弹性（10 Hz下损耗因子达0.619）。植入兔TMJ损伤模型后，该关节盘有效保护髁突组织，维持胶原纤维排列与骨-软骨界面矿物分布，为关节盘损伤修复提供了创新解决方案。相关论文以“ Viscoelastic Polyurethane Discs with Host-Guest Interaction for Temporomandibular Joint Function Restoration ”为题，发表在Advanced Functional Materials 上，论文第一作者为 Zhao Jianming 。

示意图1：具有定制粘弹性的聚氨酯人工关节盘在组织替代研究中的开发与应用 内容：展示材料设计、动物实验及力学分析全流程。

材料设计与性能验证

研究团队通过分子动力学模拟与实验分析，证实PUCA的粘弹性由CD/Ad摩尔比精准调控（图1）。当CD/Ad比例为2:3（PU-2C-3A）或3:2（PU-3C-2A）时，材料内形成密集的主客体作用区域。动态压缩过程中，CD-Ad包合距离（2.5–4.5 Å）随形变增大，能量耗散率近50%（图1b-d）。核磁共振（图1e）与红外光谱（图1f）验证了CD/Ad的成功接枝，而热重与差示扫描量热分析显示材料具备245°C分解温度及高玻璃化转变温度（图1g）。力学测试中，PU-2C-3A表现出卓越的韧性（抗撕裂强度提升）和自润滑性（表面正电荷增强蛋白吸附，摩擦系数降低）（图1h-j）。

图1 a) PUCA的设计与合成示意图 b) CD-Ad结合能分布 c) PUCA压缩-松弛分子动力学模拟 d) CD-Ad径向分布函数 e) PUCA的¹H NMR谱图 f) PUCA的FT-IR光谱 g) PUCA的DSC曲线 h) PUCA的综合力学性能（压缩/拉伸/撕裂） i) PUCA的ζ电位（n=3，均值±标准差） j) PUCA的摩擦系数曲线

粘弹性匹配关节运动需求

动态力学分析（DMA）表明，PU-2C-3A在1–10 Hz频率范围内损耗模量（E''）显著升高，损耗因子（tan δ）与天然关节盘一致（图2a-c）。落锤冲击实验（图2d）与鸡蛋跌落测试（图2e）证实其优异缓冲性能：50g鸡蛋撞击后仅轻微弹起，而线性弹性材料（PU-4C-1A）导致鸡蛋破裂。长期力学稳定性测试中，PU-2C-3A在3 MPa应力下抗蠕变性优异（图2f），循环压缩10万次后能量耗散率衰减微弱（图2i-k）。有限元分析进一步显示，其低变形量与低摩擦系数可有效分散关节应力（图2l）。

图2 a) 储能模量（n=3，均值±标准差） b) 损耗模量（n=3，均值±标准差） c) PUCA损耗因子-频率关系 d) PUCA抗冲击性能 e) 鸡蛋撞击PUCA瞬态图 f) PUCA蠕变曲线 g) PUCA应力松弛归一化曲线 h) 应力下受PUCA保护的玻璃状态 i-k) 循环压缩过程中的应变、应力-应变曲线及能量耗散率 l) 有限元模型中PUCA的变形方向与应力

仿生关节盘修复活体损伤

基于兔TMJ解剖结构，团队通过3D扫描定制PU-2C-3A人工关节盘（图3a）。在兔半关节盘切除模型中（图3b），植入3个月后，PUCA盘维持了关节形态完整性，髁突软骨表面光滑连续（图3c）。微CT显示其有效抑制软骨下骨吸收（图3d-e），组织学染色证实胶原Ⅱ（COL-II）与糖胺聚糖分布接近正常组，无显著炎症反应（图3f）。

图3 a) TMJ关节盘模型建立与PUCA关节盘加工流程 b) TMJ关节盘部分切除及PUCA原位植入 c) 髁突与关节盘宏观视图（比例尺：5 mm） d) 髁突微CT成像 e) 骨组织定量分析（n=3，均值±标准差；*p<0.05, **p<0.01） f) 髁突组织H&E、番红O/固绿及COL-II免疫组化染色（比例尺：2 mm/200 μm）

力学保护机制与组织功能维持

有限元分析揭示：关节盘缺损导致骨-软骨界面应变能积聚（图4a-b），引发胶原流失与异位钙化（图4e）。而PUCA盘通过粘弹性耗能，将界面应变能降至正常水平。拉曼光谱与扫描电镜显示（图4d-h），植入组软骨区胶原纤维长度保留，仅局部轻微钙化（适应性改建）。天狼星红染色证实PUCA维持了软骨表层水平胶原纤维与深层垂直纤维的生理排列（图5a-c），这一结构对缓冲与力学支撑至关重要。纳米压痕测试表明，其髁突软骨弹性模量与正常组一致，避免了缺损组的骨化性硬化（图5e-f）。

图4 a) TMJ有限元分析模型 b) 剪切应力与应变能计算结果 c) 髁突组织切片分区（I-IV区） d) 骨软骨组织拉曼光谱 e) 骨软骨拉曼图谱 f) 软骨表面原子力显微成像（比例尺：200 nm） g) 骨软骨区域能谱分析（比例尺：20 μm） h) I-IV区扫描电镜图像（比例尺：2 μm）

图5 a) 髁突组织胶原纤维天狼星红染色（比例尺：200 μm/50 μm） b) 胶原纤维综合对比 c) 表层胶原纤维取向 d) DMA测得的软骨与骨应力-应变曲线 e) 纳米压痕测试区域 f) 骨软骨区模量分布及平均模量（n=5，均值±标准差；*p<0.05, **p<0.01）

临床价值与展望

该研究通过主客体相互作用精准调控聚氨酯粘弹性，首次实现人工关节盘对生理运动的动态适应。其双重仿生设计（形态-功能匹配）不仅即时恢复关节运动功能，更通过重建力学微环境中断关节退变病理循环。未来，这一"粘弹性适配"策略有望拓展至其他不可再生组织的功能化再生，推动植入医疗从"结构替代"迈向"功能重建"的新阶段。

来源：高分子科学前沿

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