研究人员发现主-客相互作用的粘弹性聚氨酯椎间盘适用于颞下颌关节功能恢复

关节盘的主要功能是保持关节运动平稳。如果因受伤而需要更换，则必须开发模拟关节运动特性的材料。

2025年8月17日，北京科技大学郑裕东、北京大学口腔医院贺洋、陈硕共同通讯在Advanced Functional Materials上在线发表题为“Viscoelastic Polyurethane Discs with Host-Guest Interaction for Temporomandibular Joint Function Restoration”的研究论文。为了适应颞下颌关节（TMJ）的高频运动，设计了一种结合主客相互作用的聚氨酯。通过环糊精（CD）和金刚烷（Ad）的动态夹杂，材料在变形过程中产生分子阻尼，表现出机械软化行为。这赋予聚氨酯与频率相关的粘弹性，与颞下颌关节的高频运动特性保持一致。此外，带正电的聚氨酯表面增强了润滑性，与天然颞下颌关节盘非常相似。由这种材料开发的形状性能双仿生聚氨酯椎间盘在修复兔颞下颌关节椎间盘损伤方面表现出显着的功效，有效保护髁突组织。该聚氨酯关节盘通过优化应变能，保留了骨 - 软骨界面处胶原纤维的生理排列和磷灰石分布。这些研究结果证实，这种粘弹性与关节运动相匹配的聚氨酯关节盘，能够有效防止关节组织的异常结构演变，保留软骨的减震功能和骨骼的机械支撑能力，为颞下颌关节盘损伤的修复提供了一种创新方案。

颞下颌关节（TMJ）是颅面区域唯一的关节盘，对于支持正常的口腔生理功能至关重要。颞下颌关节盘位于关节窝和髁突之间，是一种纤维软骨结构，在关节复杂运动时起到缓冲和润滑作用。作为一个重要的承重结构，颞下颌关节盘特别容易受到损伤，这可能导致关节运动异常。这种生物力学失调进一步导致髁突骨和软骨的退行性变化。虽然颞下颌关节盘切除术是一种广泛采用的临床干预措施，以阻止进一步的椎间盘退变，但由于天然关节盘形态的破坏，它会损害生理应力分布。自体软骨移植，目前的临床标准，部分恢复了关节盘的解剖结构，但未能模仿自然颞下颌关节盘的生物力学特性。这种缺陷使髁突上的异常机械负荷持续存在，关节的骨和软骨成分暴露于病理应力。这种情况会引发骨形态发生蛋白的异常分泌，加速关节退化，并可能需要进行全关节置换。因此，为了满足TMJ椎间盘损伤治疗的临床需求，将颞下颌关节盘的力学特性和形态重建到生理水平是必要的。恢复受损颞下颌关节盘的动态力学行为以反映自然关节运动可以确保功能关节的完整性并减轻进行性组织退化。

鉴于再生天然颞下颌关节盘的挑战，组织工程已经成为颞下颌关节盘修复的主要策略。脱细胞椎间盘保留了与天然关节盘相似的机械结构，可以作为组织再生的有效支架。所得组织具有与天然颞下颌关节盘相当的强度和粘弹性，提供了恢复TMJ功能的巨大潜力。然而，组织再生能力的个体间差异带来了治疗失败的风险。作为替代方案，直接制造人工支架来替换受损的关节盘已经成为TMJ盘损伤的一种有希望的治疗选择。然而，一个关键的障碍在于精确复制天然TMJ盘的机械性能。总的来说，这些发现强调了开发动态适应TMJ运动模式的可调弹性材料以实现有效的椎间盘修复的必要性。在可用的材料中，聚氨酯由于其良好的机械强度和生物相容性而受到关注，并成功应用于生物医学设备。聚氨酯在人造颞下颌关节盘的制造中具有重要的应用前景，其可调的分子结构使抗-疲劳特性和自润滑特性，为长期的体内性能提供了坚实的基础。然而，成功的组织置换还需要能够满足其生物力学环境的严格机械性能要求的材料。

对于TMJ，人造关节盘必须精确地复制天然颞下颌关节盘的机械行为。具体来说，它需要在高频压缩运动下表现出软化，以保护邻近的骨和软骨组织。在聚氨酯人工关节盘的设计中，依赖的粘弹性行为已经成为一个关键的考虑因素。可以通过调节聚合物链的相互作用来微调粘弹性，使材料能够通过受控的分子间动力学适应性地响应外力。在众多的分子间相互作用中，主客体相互作用是一种独特的非共价相互作用。随着宿主和客体之间相互作用的程度客体分子的变化，材料可以表现出更宽的能量转换范围。这种可逆的物理键合为调节弹性分子链段之间的结构提供了一种有效的方法。这些相互作用通过可逆的缔合和解离过程促进能量耗散。通过调节聚氨酯网络内的主客体相互作用，材料的力学行为可以被精确控制。主客体相互作用可以改变夹杂物的状态以响应能量状态的变化，从而调节材料的频率依赖性机械性能，使其能够表现出粘弹性。然而，对于不同的使用环境，通过分子间的主客体相互作用来精确调节聚氨酯弹性体的粘弹性，还需要结合具体的材料设计进行进一步的研究。

在本研究中，开发了一种通过主客体相互作用增强的聚氨酯弹性体（PUCA），用于制造旨在替代受损TMJ盘的人工盘。通过CD和Ad的分子整合，设计了聚氨酯基质中的客体相互作用。结合分子动力学模拟和实验分析，对PUCA的结构特征和能量耗散机制进行了表征。这些研究阐明了主客体相互作用在调节聚氨酯粘弹性中的调节作用，从而使得能够开发具有显著阻尼效应和频率依赖性机械响应性的材料。PUCA还表现出优异的润滑能力、减震性能和上级抗疲劳性，所有这些都是长期保护邻近关节组织的关键。为了紧密复制天然TMJ盘的形态和功能，采用3D扫描和重建过程来制造人工盘。使用兔TMJ半椎间盘切除模型评估的治疗效果，通过监测髁突组织中的结构和组成变化来评估PUCA椎间盘的组织保护作用。通过颞下颌关节力学行为有限元分析和组织成分测试相结合，全面评价PUCA椎间盘对髁突骨和软骨成分和功能的影响。这种综合方法提供了对PUCA盘介导的TMJ功能重塑过程的机制见解。

图1具有定制化粘弹性的聚氨酯基人工关节盘在组织替代研究中的开发与应用（摘自Advanced Functional Materials）