在过去五十年中，由于对功能性和美观性牙齿替代的需求不断增加，牙科植入物已成为修复牙科的标准治疗方法。尽管长期成功率很高，但诸如种植体周围黏膜炎（peri-implant mucositis）和种植体周围炎（peri-implantitis）等生物学并发症的报道日益增多，这对植入物的维护和预后构成了重大挑战[1]。最近的一项荟萃分析[2]（包括57项研究）估计，患者级别的种植体周围炎患病率为19.53%（95%置信区间：12.87–26.19%）。这些数据突显了种植体周围疾病的临床重要性，以及加强对这些疾病预防和治疗的研究的必要性。
软组织的健康对天然牙齿和植入物的稳定性都至关重要，然而两者之间的解剖学和生物学差异导致了不同的愈合和结构结果（图1A）。在天然牙齿中，血管丰富的结合上皮（junctional epithelium）和结缔组织形成了一个生物屏障，保护下方的骨头免受口腔微生物的侵害。这一屏障得到了牙周韧带（periodontal ligament）、牙骨质（cementum）以及垂直定向的夏普纤维（Sharpey's fibers）等结构的支持[3]，[4]。相比之下，种植体周围界面缺乏这些特征。相反，胶原纤维围绕植入物平行或环形排列，半桥粒（hemidesmosomes）的形成减少，基底膜（basal lamina）的发育受限——导致了一个类似疤痕的、富含胶原的界面，这种界面在机械上较弱，更容易受到微生物和机械因素的破坏[3]，[4]。因此，最近的材料研究集中在修改基台表面以增强软组织的整合[5]，[6]。策略包括调整表面润湿性以及应用纳米或微结构来提高植入物-组织界面的机械强度和生物相容性[5]，[7]，[8]。
然而，理解影响软组织整合的生物学和机械因素对于改善治疗效果和开发更有效的预防策略至关重要，这需要适当的分析方法。几十年来，简单的静态二维（2D）培养牙龈上皮细胞或成纤维细胞被广泛用于评估细胞对表面特性的基本粘附、增殖、扩散和基因表达[10]。尽管这些方法存在一些局限性，如缺乏所有相关细胞类型的生理细胞间接触，但由于其简化格式能够以相对较低的成本进行高通量测试，传统的2D模型仍然被广泛使用[11]。另一个优点是能够严格控制各种变量。尽管原位研究表明，通过选择合适的材料可以实现更好的牙龈密封效果，尤其是对于基于氧化锆（zirconia）的基台[12]，但简单2D培养系统的结果并不那么令人信服[13]。
为了提供更复杂的实验设置，已经开发了多种三维（3D）黏膜模型（图1B），以在体外研究细胞对植入物表面特性的反应[9]，[11]，[14]。虽然这些3D模型在生理学上是相关的，但它们的复杂性限制了可扩展性和高通量应用。进一步的技术挑战与分析特定感兴趣的区域——即基台材料-牙龈组织界面有关。这需要使用Technovit进行硬组织制备，然后进行金刚石锯切割[9]，而大多数细胞培养实验室并不具备这些条件。因此，这样的3D模型很少被用来研究不同材料特性如何影响细胞-材料相互作用，当考虑粘附强度时，通常使用拔出（pull-out）[15]或压缩（compression）[16]测试来进行评估。
一个可能提高体外细胞模型预测性的重要因素是基底-细胞相互作用的强度。一些相对简单的2D模型试图包括这一方面，通过摇晃[10]，[17]或离心[18]，[19]等方法来研究牙龈细胞对基台材料的粘附。关于更广泛的细胞类型，量化细胞粘附力的研究主要分为两大类：牵引力显微镜（traction-force microscopy），用于绘制细胞诱导的应力；以及基于脱离（detachment）的方法，直接测量将细胞从基底上分离所需的力[20]。后者可以分为四类：（i）离心法（centrifugation assay），（ii）旋转盘法（spinning disk），（iii）流动室法（flow chamber），以及（iv）微流控法（microfluidics）[21]。作为微流控方法的一种具体改进，已经在口腔黏膜领域建立了多种器官芯片（organ-on-chip）模型[22]，[23]，[24]，[25]。
大多数器官芯片模型旨在重现灌注的三维黏膜组织，模拟体内细胞-细胞和细胞-细菌的相互作用[22]，[23]，[24]，[25]。虽然这些模型非常适合研究宿主-微生物相互作用、细胞毒性以及药理反应[22]，[23]，[24]，[25]，但由于相关材料-组织界面没有得到充分代表，它们通常不适用于生物材料评估。在许多平台上，忽略了基底材料的作用，因为它们仅依赖于玻璃基底和基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微流控系统[22]，[23]，[25]。尽管可以在玻璃上喷涂钛，但这种涂层无法完全再现块状钛的所有物理化学性质，因为这些性质强烈依赖于晶粒大小[26]和晶粒取向[27]，以及精确的加工历史。此外，许多有趣的表面改性技术需要块状材料，例如用于部分整合功能化颗粒的阳极增厚[28]，[29]。因此，实验模型应设计为直接使用块状生物材料，而不是将材料适配到现有平台上。Atif等人最近提出的一个模型[30]反映了这一需求，该模型将微流控方法应用于不同的材料类型，但需要光刻设备的支持。
我们的研究探索了一个系统，该系统能够在受控剪切应力下快速且可扩展地评估细胞对不同块状材料的反应。该方法强调简单、用户友好的设计，并使用可重复的组件，允许使用相同的细胞接种悬浮液在相同条件下直接比较多种类型的圆盘形样品。潜在的设置方式如图1C所示，详细设置见图2。在这个背景下一个未解决的问题是，是否可以以定义的方式改变施加的剪切应力，以及是否可以通过将细胞接种区域限制在样品的中心位置来解决潜在的剪切应力不均匀性问题。
实际上，基于流动的实验中的一个关键挑战是准确表征局部壁面剪切应力，这代表了流动流体向被细胞覆盖的表面传递动量的速率。壁面剪切应力可以通过实验方法（例如使用电扩散法[31]）测量，或者通过计算流体动力学（CFD）计算得出。CFD方法基于流体流动控制方程的数值解[32]，与实验技术相比具有多个优势，包括更高的空间分辨率、能够访问几何形状复杂的区域、成本更低，以及能够高效评估多种流动条件[33]。CFD已成功应用于表征各种生物环境中的流动诱导力，包括动脉血流动力学[34]、颅内动脉瘤的血栓形成[35]和鱼类胚胎培养系统[36]。
作为原理验证，该模型被应用于两种具有不同纳米表面特征的生物材料表面类型，以评估是否存在细胞-表面相互作用的差异，并能够可靠地检测到这些差异。在这里，我们关注粘附强度，通过流动过程中的细胞保留情况来量化，以及通过量化单个细胞大小来评估细胞扩散情况。这项研究还旨在确定最合适的实验参数，以便快速高效地比较不同材料表面，从而确立该模型在系统生物材料筛选中的适用性。
