亲水性表面引起的多米诺效应！西安交通大学口腔医学院最新ACS Nano：纳米钛氧化层加速3D打印种植体骨整合
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阅读： 2024/1/18 11:26:12
种植牙被誉为“人类的第三副牙齿”，采用各类方法加速骨整合是近年来的主要发展方向之一。种植牙常规负重需要在植入后3~6个月，已有研究证实，纳米钛氧化层修饰技术可在钛种植体表面构建特殊的微纳米分级形貌，并缩短3D打印钛种植体的骨整合时间。然而，这一种植体表面形貌的改变具体是通过何种机制加速骨整合的生物学过程仍不清楚。
近日，西安交通大学口腔医院裴丹丹研究员团队在ACS Nano发表了题为“Nanoscaled Titanium Oxide Layer Provokes Quick Osseointegration on 3D-Printed Dental Implants: A Domino Effect Induced by Hydrophilic Surface”的研究论文。该论文巧妙地借助计算流体力学方法，通过计算模拟与生物学验证，发现纳米钛氧化层促进血液润湿而产生的血流高剪切率状态是生物学响应的关键环节，进而揭示了纳米钛氧化层——种植体血液润湿——血流剪切率——凝血反应——免疫调控——骨整合这一“多米诺效应”。本项工作首次从流体力学角度揭示了纳米钛氧化层（理化性质）与种植体骨整合（生物学现象）之间的联系机制。
西安交通大学口腔医院博士生舒天羽为第一作者，裴丹丹研究员为通讯作者。该研究同时得到西安交通大学口腔医院李昂教授、西安交通大学能源与动力工程学院屈治国教授和王学亮副教授、南京航空航天大学航空学院刘少宝副研究员等的指导。
▲图1：纳米钛氧化层——种植体血液润湿——血流剪切率——凝血反应——免疫调控——骨整合的“多米诺效应”
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首先，该研究检测了纳米钛氧化层改性前（SLM）、改性后（H-SLM）的3D打印钛种植体表面的血液润湿、吸附能力和血细胞相容性，表征了血凝块中纤维蛋白的沉积密度，发现改性后的H-SLM表面促进血液润湿，并具有促凝血能力。
▲图2：SLM、H-SLM种植体表面与血液的润湿性
▲图3：SLM（左）、H-SLM（右）种植体表面的血液吸附能力
▲图4：H-SLM种植体表面促进纤维蛋白原吸附，形成更密集的纤维蛋白网络
接下来，根据两种表面与全血的接触角，在Fluent中对血液润湿过程进行模拟，并计算血液润湿区内的壁面流体剪切率。联合生物学验证结果，发现血液润湿H-SLM种植体过程中可产生高流体剪切率，具有活化血小板、促凝血的效果。
▲图5：SLM和H-SLM种植体表面血液润湿过程的模拟分析
最后，通过生物学实验进一步明确了H-SLM种植体表面形成的血凝块的体外/体内促成骨效果，包括免疫调控、促进干细胞成骨分化、促进种植体表面新骨沉积。
▲图6：SLM和H-SLM种植体植入新西兰兔股骨内的骨整合效果
总结展望
该工作结合计算模拟与生物学验证，发现纳米钛氧化层促进血液润湿而产生的血流高剪切率状态是生物学响应的关键环节，进而揭示了纳米钛氧化层——种植体血液润湿——血流剪切率——凝血反应——免疫调控——骨整合这一“多米诺效应”。本项工作首次从流体力学角度揭示了纳米钛氧化层（理化性质）与种植体骨整合（生物学现象）之间的联系机制，加深了对骨整合速度与种植体表面特征之间关系的认识，对更多高生物活性骨内植入物的表面修饰具有指导意义。
通讯作者介绍
裴丹丹：西安交通大学口腔医院研究员/副主任医师、西安交通大学口腔医院副院长、中国西部科技创新港口腔与颅颌面研究所所长、陕西省牙颌疾病临床研究中心主任、陕西省科技新星、陕西省杰出青年基金获得者。主要研究方向为干细胞成骨矿化机制。承担国家自然科学基金3项，一作/通讯在ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Small等杂志发表SCI论文30余篇（其中3篇被选为封面文章，1篇ESI高被引），完成科研成果专利转化100余万。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c09285
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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