《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Micro-CT Assisted Finite Element Analysis and Functionalization of Dental Implants with Piezoelectric Coatings for Improved Bio-mechanical and Anti-bacterial Performance
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优化PVDF:PMMA复合涂层在钛合金种植体上的机电耦合性能及其生物效应研究，通过实验和有限元分析（CT/μCT结合）发现90:10配比涂层在咀嚼载荷下产生最大表面电势，促进hMSC存活并抑制口腔致病菌增殖，为机械激活型抗菌种植体开发提供新策略。
Sandeep Choudhury | Partha Sarathi Mandal | Samir Das | Soham Changdar | Manish Pal Chowdhury | Ananya Barui | Santanu Dhara | Sandipan Roy | Amit Roy Chowdhury
印度西孟加拉邦豪拉市Shibpur的印度工程科学与技术学院航空航天工程与应用力学系，邮编711103
摘要
牙科植入物的性能在很大程度上取决于其表面与周围骨骼及局部微生物环境的相互作用。传统的Ti-6Al-4V植入物虽然具有机械可靠性，但缺乏促进早期骨整合或限制细菌附着的生物活性。为了解决这些问题，本研究开发了一种压电响应型PVDF:PMMA复合涂层，用于Ti-6Al-4V牙科植入物，在模拟咀嚼负荷下产生局部电信号。通过CT和μCT基于的有限元模型评估了不同PVDF:PMMA组合物在宏观和微观尺度上的骨-植入物界面的电机械响应。在所有组合物中，90:10的PVDF:PMMA涂层表现出最高的γ相含量，并在模拟咀嚼负荷下产生了最大的表面电位，这一结果得到了实验测量的进一步支持。生物评估还表明，该涂层能够支持人类间充质干细胞（hMSC）的存活并抑制常见口腔病原体的生长，显示出在细胞相容性和抗菌优势方面的潜在生物学意义。综合实验和有限元分析结果表明，优化PVDF:PMMA组成可以在植入物界面产生机械激活的电信号，为进一步研究电机械功能化的牙科植入物提供了平台。
引言
尽管过去几十年牙科植入技术取得了显著进展，但临床并发症如植入物断裂、松动[1]以及骨-植入物界面处的细菌定植[2]仍然对牙科植入物的长期成功率构成挑战[2]。这些失败通常与骨整合不足[3]和局部微生物生长有关，从而影响了植入物的稳定性和功能。为了解决这些问题，当前的研究重点在于改进植入物表面设计，以增强骨整合[4]并减少细菌附着。策略包括引入可控的表面孔隙结构以促进与宿主骨骼的机械互锁[5]，以及应用具有骨传导性和抗菌特性的生物活性涂层[6]。这种多功能表面改性旨在提高生物力学性能、加速组织整合[7]并降低感染风险，从而改善牙科植入物的整体临床效果[7]。
电机械刺激已用于利用压电材料控制细胞-材料界面，因为压电材料在机械应变下可以产生电信号[8]。聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物因其优异的压电响应、化学耐受性[11]以及提高生物相容性和骨整合的能力而受到广泛研究[12, 10]。然而，基于PVDF的基质虽然轻便灵活，但与金属的界面粘附力较弱，可能影响高强度承载应用所需的机械性能[13, 14]。添加聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）有利于提高与金属的界面粘附性[15]、增强电机械性能[16]和机械完整性[15]。因此，PVDF:PMMA结合生物医学涂层提供了一种潜在的替代方案，能够在机械刺激下产生电活性反应，从而促进成骨分化并防止微生物附着[15]。
最近，结合计算机断层扫描（CT）的有限元分析[17]技术使得能够模拟压电响应植入物在生理负荷下的电压生成，从而解决了实验观察与计算预测之间的差异。这种建模方法为理解骨-植入物界面处的应力传递[20]、电势生成[21]和应变能量密度[22]提供了见解[18, 19]。尽管CT评估提供了重要的宏观评价[23]，但其重点在于整体应力和植入物周围的稳定性[24]。通过关注小梁水平[25]，基于μ-CT的有限元分析[26]已成为评估微观尺度上的电荷生成、应力分布[28]和电机械耦合的强大工具[27]，从而实现了对这些参数的非破坏性评估。最近的有限元研究越来越多地纳入了微观结构特征、孔隙梯度[30]和材料异质性，以改进植入物生物力学、应力传递和骨重塑行为的预测[31, 32, 33]。
尽管人们对压电涂层在骨科和牙科应用中的兴趣日益增加，但现有研究大多集中在材料级别的电机械表征或宏观有限元模拟上，而未解决骨-植入物界面处的小梁尺度相互作用问题。此外，聚合物混合物组成对电机械耦合及其在生理代表性负荷条件下的潜在生物学相关性的影响仍研究不足。准确理解微观尺度上的骨响应对于准确解释病理行为和电机械相互作用至关重要。没有这种微观层面的洞察，就无法优化涂层厚度以实现同时促进骨再生和有效杀菌的目标。
本研究采用实验-计算框架，系统研究了不同PVDF:PMMA复合涂层比例对Ti-6Al-4V牙科植入物的影响。通过将实验电机械表征与基于CT和μCT的有限元分析相结合，本研究直接比较了不同组成下的电压生成、应力传递和宏观及小梁结构层面的微应变分布。此外，还将电机械响应与体外细胞相容性和抗菌评估相关联，以确定最佳涂层组成。这种综合方法为调整聚合物混合物组成以调节界面层面的电机械行为提供了新的见解，从而指导压电牙科植入物涂层的合理优化。
材料
本研究使用的材料包括从印度Alfa Aesar购买的PVDF和PMMA；从印度Apex Alloys购买的Ti-6Al-4V合金棒（5级）；从印度Mumbai的Spectrochem Pvt. Ltd.购买的分析级N-二甲基甲酰胺（DMF，C3H7NO）和丙酮（C3H6O），用作聚合物溶解的溶剂。
PVDF:PMMA复合膜的合成
PVDF:PMMA涂层膜是通过溶剂浇铸法制备的[34]，该方法促进了分子级别的混溶性和均匀的膜形成。
材料表征
通过XRD、FTIR和拉曼光谱系统地对制备的PVDF:PMMA涂层进行了结构和相分析。进一步的共聚焦显微镜研究揭示了PMMA在PVDF基质中的引入促进了电活性γ相的成核和稳定。
讨论
本研究证明，不同组成的PVDF:PMMA涂层Ti-6Al-4V植入物建立了一个电机械活性强且生物学上有利于骨整合的界面，能够改善骨整合、增强应力传递并减少细菌定植。将机械刺激和电活性行为结合在这种仿生设计中是一种尚未探索的植入物技术方法。聚合物相分析、电机械测量和生物测定表明……
结论
本研究结合了基于μCT的有限元建模和实验验证，开发出具有增强生物性能的压电涂层牙科植入物。通过将计算分析与体外测试相结合，本研究揭示了小梁骨-植入物界面的电机械行为，这是传统宏观建模方法无法实现的。
Ti-6Al-4V植入物上PVDF:PMMA涂层组成的变化显示了明显的……
CRediT作者贡献声明
Partha Sarathi Mandal：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、验证、方法论、研究、正式分析。
Sandeep Choudhury：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件、资源、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。
Amit Roychowdhury：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、研究、概念化。
利益冲突声明
致谢
第一作者感谢由IIT Kharagpur建立的跨学科网络物理系统（AI4ICPS）人工智能项目颁发的Chanakya博士奖学金。
作者还衷心感谢印度卫生与家庭福利部（AYUSH）下属的中央顺势疗法研究委员会（CCRH）提供的财政支持，用于建立Dr. Bholanath Chakraborty纪念基础设施中的共聚焦显微镜设备。
