背景介绍
无机纳米材料是新型聚合物基复合材料(PMCs)的结构与功能增强体，在生物医学领域已被广泛应用于伤口愈合、药物缓释、组织工程支架等方面。PMCs能够缓冲机械应力(例如：咬合力、血压和摩擦力)对生物组织的冲击以及生化刺激(例如：细菌、酶和病毒)的影响，从而减少感染风险并为生物组织提供机械支撑。而PMCs与生物组织的接触界面（材料-组织界面，MTF）则是实现上述功能的根本途径。MTF通常包含两个维度的界面：PMCs的原子尺度上的有机-无机界面和PMCs-细胞/组织间的微纳维度界面。
纳米二氧化钛（nano-TiO2）具有较高的化学惰性和生物相容性，且成本低廉，因此是提高PMCs机械强度和生物活性的理想材料。本研究工作探索了单原子层亚纳米二氧化钛（TiO2-NSs）增强PMC的应用,利用人源性牙髓-牙本质复合体作为研究模型探究了TiO2-NSs对有机-无机界面，材料-细胞界面以及材料-胶原界面三个不同维度界面的调控作用。
研究方法
本研究通过溶剂热法制备了具有单原子层厚度的TiO2-NSs，以商品化nano-TiO2为对照组，制备了纳米二氧化钛改性树脂复合物。分别通过聚合转化率测定、纳米压痕实验、热稳定性实验、吸水率与溶解度、接触角和表面粗糙度实验评估TiO2-NSs对聚合物固有有机-无机界面性能的调控作用。进一步以人源性牙髓间充质干细胞（hDPSCs）为研究对象，通过CCK-8计数实验、免疫荧光、扫描电镜、PCR以及WB等策略探索TiO2-NSs对材料-细胞界面的作用以及材料对细胞增殖、分化功能的调控能力。最后利用人源性牙体组织，构建了牙本质胶原-树脂混合层界面模型，通过机械性能测试、扫描电镜以及纳米渗漏等实验，探索TiO2-NSs对材料-胶原界面稳定性的影响。
成果简介
晶胞厚的TiO2-NSs能够显著提升树脂材料固有的表面硬度、弹性模量、热稳定性和亲水性。TEM结果显示TiO2-NSs较为均匀地分散在树脂材料中，提示TiO2-NSs与树脂基质间形成了稳定的有机-无机界面。TiO2-NSs改性的树脂-细胞界面表现出了良好的生物活性，显著促进了hDPSCs的粘附、增殖和成牙本质/成骨分化能力。同时，TiO2-NSs改性树脂与脱矿牙本质胶原形成了稳定的树脂-胶原混合界面，展现出了良好的耐酶解和耐温度降解特性。综上，单原子层TiO2-NSs能够通过耦合多尺度界面的交互作用，显著提升聚合材料-生物组织界面的生物活性和稳定性。
图文导读
图1 具有单原子层厚度的TiO2-NSs可以显著提高树脂材料（聚合物材料）-组织界面的生物活性和稳定性
图2 TiO2-NSs的合成表征及基于TiO2-NSs制备的改性树脂
图3 TiO2-NSs对树脂材料理化性能的调控作用结果
图4 TiO2-NSs对树脂-细胞界面的调控作用以及界面对hDPSCs增殖、粘附的影响
图5 TiO2-NSs对树脂-hDPSCs界面的调控作用以及界面对hDPSCs分化的影响
图6 TiO2-NSs对树脂-胶原界面稳定性的影响作用验证
作者简介
李鸿波，中国人民解放军总医院第一医学中心口腔科主任，主任医师/教授，长期开展种植牙与颌骨组织工程、创伤修复以及纳米医学材料的研发及应用等研究工作。作为课题负责人承担国家及省部级等课题10余项；以第一或通讯作者发表论文50余篇；授权国家发明专利7项；主编、参编专著（教材）11部；参加制定国家标准1部。现任卫健委国家职业技能鉴定专家工作委员会委员；中华口腔医学会口腔修复专委会常委、口腔美学专委会常委；北京口腔医学会口腔修复专委会副主任委员、口腔材料专委会副主任委员等。
相国磊，现为北京化工大学化学学院副教授，长期从事纳米材料结构设计与制备、纳米材料表界面化学作用电子结构原理，及纳米复合材料的制备及纳米生物材料的研发应用等领域。致力于攻关纳米表面化学电子结构原理的实验表征方法论与理论模型探索。在Nano Res.，Nature Commun., Nano Lett., Chem. Sci. 等期刊发表论文40余篇。
许荣宸，中国人民解放军总医院第三医学中心副主任医师，长期从事牙本质粘接材料、纳米生物材料的研发和应用研究。主持国家级课题2项，参与课题4项；以第一/共一作者在Nano Research， Bioactive materials, , Acta biomaterialia等期刊发表论文10余篇，授权专利3项，参译专著1部。现任《解放军医学杂志》、《中华口腔医学研究杂志》青年编委。
文章信息
Xu R, Mu X, Hu Z, et al. Enhancing bioactivity and stability of polymer-based material-tissue interface through coupling multiscale interfacial interactions with atomic-thin TiO2 nanosheets. Nano Research, 2022, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5153-1.
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