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功能性皮质骨仿生复合材料（Functionalized Cortical Bone-Inspired Composites, FCBIC）在无牙颌区域的机械与生物适应性研究

作者及机构
本研究由Zhongyi Wang、Qianrong Xiang、Xin Tan等共同完成，主要作者来自四川大学华西口腔医院国家口腔疾病临床研究中心（State Key Laboratory of Oral Diseases, National Clinical Research Center for Oral Diseases, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University）。合作单位包括重庆医科大学口腔医学院（Chongqing Medical University）和香港城市大学（City University of Hong Kong）等。研究发表于《Advanced Science》期刊，2023年2月在线发表。

学术背景
研究领域为生物材料与口腔种植学。传统钛种植体因弹性模量（elastic modulus）与皮质骨不匹配（钛的硬度约为皮质骨的7倍），易导致应力屏蔽（stress shielding）和微动磨损（fretting wear），进而引发种植体周围炎和骨吸收。此外，钛的灰色可能透出黏膜层，影响美观。尽管氧化锆（3Y-TZP）和聚醚醚酮（PEEK）等非金属材料被探索为替代方案，但其生物惰性（bioinertia）和机械性能匹配问题限制了临床应用。因此，本研究旨在开发一种兼具机械适应性（如硬度、弹性模量与皮质骨匹配）和生物活性（如骨诱导性）的新型复合材料，以解决上述问题。

研究流程
1. 材料设计与制备
- 仿生结构设计：受皮质骨分层结构启发，研究团队通过冷冻铸造法（freeze-casting）构建了具有垂直排列层状孔隙的3Y-TZP支架（scaffold），孔隙率为53 wt%。为改善纳米颗粒分散性，采用聚多巴胺（polydopamine, PDA）修饰纳米3Y-TZP（PDA-nano-3Y-TZP），并通过γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（γ-MPS）嫁接增强支架与聚合物的界面结合。
- 有机相填充：通过原位聚合（in situ polymerization）将聚醚酮酮（PEKK）填充至支架孔隙中，形成“砖-泥”结构（brick-and-mortar composite）。PEKK的选择因其比PEEK更高的极性、刚性和骨整合性能。
- 表面功能化：采用30%过氧化氢（H₂O₂）浸泡和紫外线（UV）辐照处理复合材料，增加表面羟基（–OH）含量，提升亲水性和生物活性。

1. 机械性能测试

   • 压缩与弯曲性能：通过单调压缩和循环加载测试模拟咀嚼力，FCBIC的压缩强度为500.27±85.17 MPa，弹性模量为24.16±0.99 GPa，与皮质骨（≈20 GPa）接近；三点弯曲测试显示其弯曲强度为171.10±45.10 MPa，与皮质骨相当。
     
   • 断裂韧性分析：通过扫描电镜（SEM）原位观察裂纹扩展路径，发现PEKK相通过裂纹偏转（crack deflection）和桥接（bridging）机制提升能量耗散能力，FCBIC的临界J积分断裂韧性（JIC）达1.12 kJ/m²，显著高于未修饰组（0.68 kJ/m²）。
     

2. 生物活性评估

   • 体外实验：与人脐带沃顿胶间充质干细胞（hWJ-MSCs）共培养，FCBIC表现出最优的细胞铺展面积和丝状伪足（filopodia）形成，碱性磷酸酶（ALP）活性和钙结节沉积量显著高于对照组（钛和氧化锆）。
     
   • 体内实验：在大鼠胫骨缺损模型中，术后8周Micro-CT显示FCBIC的骨体积分数（BV/TV）和骨小梁数量（Tb.N）与钛种植体（Ti-SLA）无显著差异，但胶原纤维生成更多，表明其骨整合能力优异。

3. 微动磨损测试
   通过球-平面接触模型模拟种植体-骨界面微动，FCBIC的摩擦系数（COF）为0.35，磨损体积显著低于纯3Y-TZP，归因于PEKK的润滑作用和能量耗散能力。

主要结果
1. 机械适应性：FCBIC的弹性模量（39.80±12.40 GPa）和硬度（1.63±0.99 GPa）与皮质骨匹配，有效缓解应力屏蔽。
2. 生物活性：表面功能化使接触角降至23.03°，显著提升细胞粘附与分化；体内实验证实其骨诱导（osteoinduction）和骨整合（osseointegration）能力。
3. 抗微动磨损：PEKK的引入降低界面摩擦损伤，磨损机制以弹性变形为主，减少碎屑产生。

结论与价值
FCBIC通过仿生设计和表面功能化，首次实现了机械性能与生物活性的双重匹配，为解决种植体长期稳定性问题提供了新思路。其科学价值在于揭示了有机-无机复合材料中界面效应对力学性能和细胞行为的调控机制；应用价值体现在FCBIC可作为下一代牙科种植体材料，降低临床并发症风险。

研究亮点
1. 创新设计：结合冷冻铸造与原位聚合技术，构建多尺度分层结构。
2. 跨学科方法：引入摩擦学（tribology）理论分析种植体-骨界面微动行为。
3. 综合评价指标：提出“生物-机械协同系数”（biological-mechanical co-operation coefficient），量化材料适配性。

其他价值
研究开发的PDA修饰纳米颗粒分散技术和UV/H₂O₂表面活化方法，可扩展至其他生物材料领域。此外，FCBIC的象牙色（ivory-colored）特性解决了钛种植体的美观问题。

该报告全面覆盖了研究的背景、方法、结果与意义，符合学术传播的规范要求。