CN116458051A - 用于非卧床牙科护理的智能牙科种植体系统 - Google Patents

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Abstract

公开了用于非卧床牙科护理的智能牙科种植体系统和方法。在一些实施例中，所公开的主题包括牙冠，其适于模拟患者的解剖结构和智能牙科种植体系统的位置。该牙冠可包括压电纳米粒子，其布置在牙冠的表面上并适于由患者的口腔动作发电。在一些实施例中，所公开的主题包括联接至牙冠的基台。基台可以包括能量采集电路和微型LED阵列，该能量采集电路可操作地耦合到压电纳米粒子并适于采集电力，该微型LED阵列可操作地耦合到能量采集电路并适于对周围的种植体周围软组织进行光生物调节。

Description

用于非卧床牙科护理的智能牙科种植体系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年6月12日提交的美国临时专利申请第63/038，494号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
某些骨整合牙齿种植技术可以替代缺失的牙齿，同时保护和刺激天然骨骼，但在预防种植体周围疾病方面表现出有限的生物活性(例如，在有限的时间内释放治疗或预防性药物)。种植体周围疾病是影响种植体周围软硬组织的炎症性疾病。在健康状态下，种植体周围软组织通过包裹种植体支持的修复体来保护骨整合种植体免受细菌侵袭。然而，由于缺乏真正的结缔组织附着和血管供应减少而导致种植体周围疾病的脆弱性增强，与这些修复体相邻的软组织在抵抗细菌侵袭方面可能不如天然牙有效。
种植体周围疾病可分为两类：种植体周围粘膜炎和种植体周围炎。种植体周围黏膜炎可由牙菌斑(即细菌生物膜)在软组织-种植体界面处积聚引起。随之而来的种植体周围黏膜炎的局部炎症反应可导致种植体周围炎。种植体周围炎可导致软组织炎症和牙槽骨质流失。这种牙槽骨质流失反过来会导致牙齿种植失败。牙齿种植失败可能导致不适的、痛苦的和昂贵的手术更换失败的种植体，以及整体口腔健康的潜在崩溃。
对患者进行良好的牙菌斑控制和牙科专业人员的常规机械仪器可能是预防种植体周围疾病的最有效手段，但由于患者依从性差，这可能是不够的。此外，现有的技术，如使用全身性抗生素治疗种植体周围疾病，是不可预测的，并且成功率低(即低于60％)。
因此，需要一种用于生物活性增强了的先进牙科种植体系统的技术来预防种植体周围疾病。
发明内容
本文公开了用于非卧床牙科护理的智能牙科种植体系统和方法。
在一些实施例中，所公开的主题包括牙冠，其适于模拟患者的解剖结构和智能牙科种植体系统的位置。该牙冠可包括压电纳米粒子，其布置在牙冠的表面上并适于由患者的口腔动作发电。在一些实施例中，所公开的主题包括联接至牙冠的基台。基台可以包括能量采集电路和微型LED阵列，该能量采集电路可操作地耦合到压电纳米粒子并适于采集电力，该微型LED阵列可操作地耦合到能量采集电路并适于对周围的种植体周围软组织进行光生物调节。在一些实施例中，所公开的主题还包括适于插入到患者的颚骨中的金属柱，以及适于将金属柱连接到基台的固位螺钉。
在所公开的主题的一些实施例中，患者的口腔动作可包括咀嚼、咬合和洗刷中的至少一种。在一些实施例中，能量采集电路可包括适于将电力转换成直流电压的交流-直流整流器，以及适于存储直流电压的电源管理单元。在一些实施例中，基台可包括LED驱动电路，其适于产生两种不同的电压电平和频率，使得微型LED阵列可适于以多个波长对周围的种植体周围软组织进行光生物调节。在一些实施例中，微型LED阵列可包括至少四个相隔90度布置的微型LED，使得微型LED阵列可适于对周围的种植体周围软组织进行光生物调节。在一些实施例中，牙冠可具有足够的机械强度以承受大的咬合力。在一些实施例中，牙冠可以具有两相复合配置用于增强机械强度。
在一些实施例中，所公开的主题包括将金属柱插入患者的颚骨，将牙科种植体联接至金属柱，其中压电纳米粒子布置在牙科种植体的表面上，使得压电纳米粒子由患者的口腔动作发电，从压电纳米粒子采集电力作为能量源，以及用采集的电力和配对的电子器件对种植体周围的软组织进行光生物调节。
在所公开的主题的一些实施例中，压电纳米粒子可熔合到牙科材料上以产生牙冠。在一些实施例中，压电纳米粒子可为钛酸钡纳米粒子。例如，钛酸钡纳米粒子能以0％至40％重量的浓度熔合到牙科材料中。在一些实施例中，钛酸钡纳米粒子可以通过烧结工艺将陶瓷牙科材料注入牙科材料中。在非限制性实施例中，钛酸钡纳米粒子通过烧结工艺作为散装材料注入牙科材料中。
在一些实施例中，压电纳米粒子可进一步适于具有抗生物膜效应。
在所公开的主题的一些实施例中，牙科种植体可通过固位螺钉联接至金属柱。在一些实施例中，采集可包括将将电力转换为直流电压并将直流电压存储为采集的电力。在一些实施例中，患者的口腔动作可包括咀嚼、咬合和洗刷中的至少一种。在一些实施例中，光生物调节可包括多个波长。
并入并构成本公开的一部分的附图说明了所公开的主题。
附图说明
图1是图示出具有种植体周围粘膜炎和种植体周围炎的现有种植体的示意图。
图2A至图2C是根据所公开主题的一些实施例的智能牙科种植体系统的示意图。
图3A至图3C图示出了根据所公开主题的一些实施例的压电纳米粒子的SEM成像和拉曼表征。
图4A至图4H是根据所公开主题的一些实施例的示例性制造程序的示意图。图4I是根据所公开主题的一些实施例的真实猪牙、3D打印猪牙、3D打印骰骨和3D打印人牙的照片。图4J是示出根据所公开主题的一些实施例的示例性烧结温度轮廓的图表。图4K是示出根据所公开主题的一些实施例的所制备的BaTiO3陶瓷在极化前后的X射线衍射图的图表。图4L是根据所公开主题的一些实施例的两相复合材料的、智能牙科种植体(SDI)牙冠的示例性示意图。
图5A至图5E是根据所公开主题的一些实施例的基台中的电路的示意图。
图6A是模拟咀嚼动作的示例性模型的示意图。图6B是示出在咀嚼动作下来自SDI的咀嚼模型的电压输出的代表性实例的图表。图6C是示出咀嚼模型的示例性电压输出的图表，该电压输出被转换成脉搏波(PW)输出。图6D是示出咀嚼模型的示例性整流输出电压的图表。图6E是示出在软性食物咀嚼动作下SDI的平均电压输出的综合结果的图表。
图7A是示出根据所公开主题的一些实施例的示例性刷牙模型的示意图。图7B是示出在洗刷动作下来自SDI的刷牙模型的电压输出的代表性实例的图表。图7C是示出刷牙模型的示例性电压输出的图表，该电压输出被转换为脉冲波(PW)输出。图7D是示出刷牙模型的示例性整流输出电压的图表。图7E是示出在洗刷动作下SDI的平均电压输出的综合结果的图表。
图8A是图示出用于光辐照度测量和体外PBM治疗的示例性系统的示意图。图8B是示出根据各种PW频率的SDI原型的平均光辐照度的图表。
图9A图示出了根据所公开主题的一些实施例的远颊尖上的牙合负荷的有限元分析。图9B是根据所公开主题的一些实施例用于综合机械评估的示例性系统的示意图。
图10A至图10C示出了根据所公开主题的一些实施例的压电纳米粒子的抗生物膜活性。
图11图示出了根据所公开主题的一些实施例的进行和不进行光生物调节的人牙龈角质形成细胞的活性。
图12示出了根据所公开主题的一些实施例的对病原微生物细胞的细胞反应。
图13示出了根据所公开主题的一些实施例的在有或没有近红外(NIR)照射的情况下微生物入侵后原代人牙龈角质形成细胞(HGK)的数量。
图14示出了根据所公开主题的一些实施例的植入小型猪的口腔中的示例性SDI。
在所有附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记和字符用于表示所示实施例的相同特征、元件、部件或部分。此外，虽然现在将参照附图详细描述本发明，但是本发明是结合说明性实施例进行描述的。
具体实施方式
介绍了用于非卧床牙科护理的智能牙科种植体系统的技术。智能牙科种植体系统可以包括牙冠和基台。牙冠可以模拟患者的解剖结构和智能牙科种植体系统的位置，并且基台可以耦合到牙冠上。压电纳米粒子可以放置在牙冠的表面，并适于将患者的口腔动作转化为电能。基台可以包括从压电纳米粒子中采集电力的能量采集电路，以及使用采集的电力对周围的种植体周围软组织进行光生物调节的微型LED阵列。智能牙科种植体系统还可以包括可以插入到患者的颚骨中的金属柱，以及可以将基台联接到金属柱上的固位螺钉。
图1是图示出具有种植体周围粘膜炎和种植体周围炎的现有种植体的示意图。种植体周围疾病可分为两类：种植体周围粘膜炎102和种植体周围炎104。种植体周围粘膜炎102可由牙菌斑(即，细菌生物膜)在软组织-种植体界面处的积聚引起。随之而来的种植体周围粘膜炎102的局部炎症反应可导致种植体周围炎104。种植体周围炎104可导致软组织炎症和牙槽骨质流失。这种牙槽骨质流失反过来会导致牙齿种植失败。
图2A至图2C是根据所公开主题的一些实施例的智能牙科种植体系统的示意图。智能牙齿种植(SDI)系统可以用于非卧床牙科护理并且可以包括牙冠202和基台204。牙冠202可以通过将压电纳米粒子208熔合到牙科材料中来将人类口腔动作(例如，咀嚼、咬、刷牙等)转换为电能。例如，牙科材料可包括两部分牙科材料或陶瓷型牙科材料。通过混合压电纳米粒子和牙科材料，压电纳米粒子208可以熔合到诸如树脂的两部分牙科材料中。可选地，在烧结之前，压电纳米粒子208可以熔合到诸如陶瓷(例如，氧化锆)或瓷的陶瓷型牙科材料中，这可以产生单个牙冠。为了能够生产模拟患者的独特解剖结构的特定于患者的牙冠，3D打印技术可以创建牙冠。压电纳米粒子可以被注入3D可打印的牙冠(C&BMicroFilledHybrid，NextDent)中，并以开放模式进行3D打印(Form3，FormlabInc.)。
如图2B中所示，极化处理216可以通过在加热超过居里温度的同时施加高压(>2kV/mm)来完成。极化处理216可以通过排列随机取向的电极化来改善或优化压电纳米粒子208的电学性能，实现数量级的压电性能增强。压电纳米粒子208还可以通过阻止粘附或选择性地仅杀死粘附的细菌来具有抗生物膜效应，从而降低或最小化抗菌耐药性和干扰微生物组稳态。
由压电纳米粒子208产生的电能可以被适当地管理以获得最佳的LED辐照度。基台204可以包括能量采集电路210和微型LED阵列212。能量采集电路210可以可操作地耦合到压电纳米粒子208，使得能量采集电路210可以采集由压电纳米粒子208产生的电力。微型LED阵列212可以可操作地耦合到能量采集电路，使得微型LED阵列212从能量采集电路210接收所采集的电力。然后，微型LED阵列可以实现周围的种植体周围软组织的原位光生物调节(“PBM”)治疗。
牙冠202和基台204可以使用牙科粘合剂(Panavia，KurarayMedical Inc.)组装在一起。固位螺钉214可以将牙冠-基台组件牢固地安装到金属种植体柱206上。金属柱206可以插入到患者的颚骨中，然后固位螺钉214可以将金属柱联接到基台。
图3A至图3C图示出了根据所公开主题的一些实施例的压电纳米粒子的SEM成像和拉曼表征。压电纳米粒子可以被注入到牙冠的表面上。
例如，如图3A所示，压电纳米粒子可以是钛酸钡(BaTiO3)纳米粒子(“BTO-NPs”)(400nm,USResearchNanomaterialsInc.)。BTO-NPs由于其压电性和低细胞毒性而适用。可以使用开放模式3D打印(Form3，FormLabInc.)将BTO-NPs注入3D可打印牙冠(C&BMicroFilledHybrid，NextDent)中。如图3B所示，BTO-NPs也可以与牙科材料一起烧结，并产生单一的整体材料。如图3C所示，306cm-1处的峰值可以指示四方的特征(即，压电)。此外，BTO-NPs的光学特性(即它们的白色)可以适用于牙科材料，这是因为其可以在牙冠的不透明度和半透明性之间提供平衡，以与现有牙齿融为一体。具有低细胞毒性的其它无机和有机压电纳米粒子也是合适的。例如，合适的无机压电纳米粒子可以包括基于钛酸钡、基于铌酸钾钠和基于钛酸铋的陶瓷，以及基于氧化锌的纳米结构。合适的有机压电纳米粒子可以包括聚偏二氟乙烯。
在制造之前，两部分牙科材料(例如，树脂)可以在旋转混合器平台上搅拌过夜。引入BTO-NPs后，再搅拌24小时。然后可将两部分牙科材料脱气约30分钟。可以从3D扫描设计获得臼齿设计。可以修改臼齿设计并包括蜂窝状设计以增强机械强度。在3D打印之后，蜂窝结构的中空区域可以用BTO-NPs注入的牙科材料填充，然后进行UV固化。然后可以对制造的臼齿进行后处理，包括在加热的超声处理下用IPA清洗，然后用乙醇清洗。在2小时的超声处理之后，可以使用乙醇再次清洁智能牙冠。
可选地，压电纳米粒子可以引入到诸如氧化锆的陶瓷型牙科材料中。压电纳米粒子和陶瓷型牙科材料的组合可以被烧结。如图4A至图4H所示，可以制备BTNPs胶体悬浮液。如图4A所示，首先通过在N,N-二甲基甲酰胺(DMF；SigmaAldrich)中以1：8.8的重量比混合氧化锆或聚氟乙烯(PVDF)在80℃下持续15分钟来制备基础粘结剂溶液。将BTO-NPs缓慢加入到粘合剂溶液中，同时用手不断搅拌直至达到高体积浓度，如图4B所示。实验结果发现，粘合剂溶液可占BTO-NPs的332wt.％。如图4C所示，然后将BTO-NPs悬浮液装载到注射器中，接着安装到糊膏挤出3D打印机中。在一些实施例中，可将印刷速度调整到约1mm/s，其中Z分辨率为约400μm。然后可以将印刷的SDI在120℃下干燥2小时以蒸发DMF，从而完成绿色材料。随后可使用管式炉进行脱脂和烧结的后处理(图4D)。3D打印允许在不影响抗生物膜和机械性能的情况下创建各种牙齿样本。图4I示出了3D打印的实例，诸如人类臼齿、动物牙齿或简单的骰骨，这意味着可以制备SDI以适应任何解剖结构。
图4J示出了示例性的温度轮廓：在约650℃下进行约1小时的脱脂(升温速率＝5℃/min)，随后在约1400℃下进行约3小时的烧结(升温速率＝5℃/min)。在后处理之后，SDI可以被极化以排列随机取向的铁电畴。为此，SDI可以通过应用银环氧树脂在顶部和底部具有临时电极。然后，可以将SDI放置在定制的极化台上，该极化台可以具有铜底板并且顶部具有弹簧加载的针状电极。极化台可以在硅油浴中配备内置加热元件。图4E示出了轮询过程。使用极化台和高压源，可以在SDI上施加1kV/mm的均匀电场，同时硅油浴的温度可以设置在BTO-NPs的居里温度(80℃)以下。在一些实施例中，总的极化时间可以是4小时。图4K示出了所制备的BaTiO3陶瓷在极化前后的X射线衍射图。BaTiO3陶瓷的四方相可以通过45°附近2θ处的峰分裂来确认。在非限制性实施例中，(002)和(200)平面的峰比可以从非极化样品401下的约0.43提高到极化样品402下的约1.23。这可以表明晶畴可以通过极化重新定向。在一些实施例中，极化样品在约22°处的(001)衍射峰与未极化样品的衍射峰相比是显著的，这表明大量的晶畴沿着相同的方向排列。
在某些实施例中，对于烧结样品，SDI牙冠可以由两相复合材料组成，如图4L所示：压电纳米粒子的分散(0-3复合材料；即0维BTNPs嵌入3维基体)和传统牙科材料属性(1-3复合材料；即1维牙科树脂柱嵌入3维BTNPs基复合材料)。两相复合材料可以实现多种功能。例如，0-1复合材料可以提供压电纳米粒子以更直接地影响口腔生物力学用于高效的能量采集，而传统牙科材料的1-3复合物在由于这些口腔动作引起的机械应力下提供足够的机械强度。
混合模式的复合材料可以通过修改SDI牙冠来制造。例如，可以用激光加工SDI牙冠来为1-3复合材料构造创建蜂窝式沟槽(如图4F所示)，这样可以加强机械强度。图4L示出了1-3复合材料的激光加工基底。沟槽大小可以是0.5至1毫米的直径。如图4G所示，沟槽内填充有紫外线(UV)光固化的牙冠树脂(C&BMicroFilledHybrid,NextDent)。在一些实施例中，各种牙科材料(例如，牙科树脂、金属和/或陶瓷(例如，氧化锆))可用于填充。在填充沟槽之前，牙科树脂需要在旋转混合器平台上搅拌过夜。牙冠的侧壁也可以通过涂覆牙科树脂来加强。填充后，可将SDI脱气一小时，然后进行UV光固化。所制造的压电牙冠可以进行打磨和抛光以进行最后的修饰。由于填充过程会在表面产生残留物，因此可以根据需要对牙冠进行进一步的抛光并调整成期望的形状。在一些实施例中，牙冠可以是两相复合材料用于增强机械强度。例如，压电纳米粒子的分散(0-3复合；即0维钛酸钡纳米粒子嵌入3维基体)和传统的牙科材料属性(1-3复合；即1维牙科树脂柱嵌入3维钛酸钡纳米粒子基复合材料)。
为了测试BTO-NPs在牙科材料中的保形性，可以将3D打印的牙冠储存在55℃的磷缓冲溶液(PBS,Sigma)中24小时，以监测BTO-NPs是否从牙科材料中逸出。对于BTO-NPs的浸出行为，可以在牙科材料中检查四种不同的浓度(5、10、20和30wt％)。30wt％的BTO-NPs可以均匀分散并减轻牙科材料中的结块。
图5A至图5E是根据所公开主题的一些实施例的基台中的电路的示意图。能量采集电路可以针对诸如人体口腔动作的低频应用进行优化。如图5A和图5C所描述的，能量采集电路210可包括交流-直流整流器502和电源管理单元504。交流-直流整流器502可与牙冠202中的压电纳米粒子208耦合，并且如图5B所示，可以将人体口腔动作转换成电能。电源管理单元504可以从快速充电(1分钟)存储高达3.3V的电压，其这将足以运行90分钟(基于30分钟用餐、每天3次的有效持续时间)。这种发电可以使微型LED阵列212运行。例如，低电流微型LED仅需1.8V即可实现全亮度。
如图5C所示，能量采集电路可以通过微细加工制造，以实现进一步的小型化。该电路可以分为多个块，并在柔性基板上制造(例如，覆铜聚酰亚胺,Pylex,杜邦公司)。带状电缆可以连接每个块，以便可以折叠和堆叠。亚毫米大学的分立电子元件可以包括微型LED(SML-P11x,Rohm；1×0.6×0.2mm3)，晶体管(FK4B01110L1,Panasonic；0.6×0.6×0.1mm3)，超级电容器(CHP3225A，Seiko；3×2×1mm3,肖特基二极管(CMRSH-4DO,CentralCorp；0.9×0.7×0.4mm3)和电阻器(CRCW0201,Vishay；0.6×0.3×0.2mm3)。在所有分立部件组装后，基台可以涂覆有Parylene-C(5μm)进行保护。
如图5D所示，能量采集电路210和微型LED212可以集成在基台204上。基台204可以在顶部有小空间来容纳小型化电路并与牙冠202和种植体周围疾病通常所处的底部处的凹槽配合，以放置并经由电气连接506连接微型LED212。每90度一个的至少四个微型LED可用于覆盖所有周围的种植体周围软组织。
如图5E所示，在一些实施例中，能量采集电路可以使用能量采集IC芯片(LTC3588,LinearTechnology)中的内部低损耗整流器将人体口腔动作转换为直流电压。IC芯片可以使用欠压锁定(UVLO)来管理直流电压，欠压锁定允许电荷在超级电容器(CPH3225A,Seiko)中累积，直到大容量转换器可以有效地将存储的电荷转移到输出。请注意，与电池不同，超级电容器电压随着提供能量而呈线性下降。因此，保持能量采集IC的超低静态电流(IQ＝450nA)非常重要，以允许电压大幅下降但又能获得所需的电流。
在一些实施例中，基台可以包括LED驱动电路。LED驱动电路可以为多波长PBM(MW-PBM)产生两种不同的电压电平和频率。LED驱动器电路可以包括两个单独调谐的定时器(经由电阻-电容电路)和开关电路(经由晶体管)，以同时操作多个低功率LED(IF～2mA)。电压电平可在0.2至2.8V范围内调节，频率可在50％占空比(CW,PW5或PW500)下调节至0、5或500Hz。
图6A和图7A是根据所公开主题的一些实施例的模拟咀嚼动作并测量其相应电压输出的测试的示意图。有效的PBM治疗可能需要通过人体口腔动作产生足够的电能来使LED发光。由于其生物相容性、压电性能和非线性光学特性，BTO-NPs可以具有很好的应用前景。因此，可以检查这种压电牙科材料是否可以将咀嚼动作(作为人体口腔动作模型)转换为用于LED发光的电能。
在某些实施例中，SDI的能量采集性能可以使用咀嚼和刷牙的动态人体口腔动作模型进行评估。当SDI可以通过使用能够根据受控参数模拟拮抗肌打击的施力机由咀嚼动作进行刺激时，可以测量出电压，如图6A所示。在非限制性实施例中，为了检查机械到电气转换的效率，可以首先测试没有电路的SDI。图6B示出了咀嚼动作下SDI的电压输出的代表性实例(例如，施加的力可以是大约90N，频率为5Hz)。输出可以显示三种不同的状态：压缩时的正电压，减压时的负电压，以及随后在两个不同方向的力之间出现空闲趋势。当启动压头以压缩SDI时，电能可以开始与所施加的力成比例地增加。在最大压缩(即，最大负载)开始时，随后的减压因为所施加的力的方向可以反转而可以在电压产生的极性中激增，这可以解释负电压。在一些实施例中，当压头回到基点位置并可以从SDI上抬起时，电压输出也可以回到空闲点，直到下一个周期开始。在一些实施例中，经验压电性可以被测量为大约202(±10.87)pC/N。在一些实施例中，如图6C所示，电压输出可以经由一对二极管和电容进行管理，其将正弦波电压输出转换成脉冲波(PW)输出。在频率模式下PW输出衍生的LED对于PBM治疗是有益的。如图6D所示，虽然频率可以通过口腔动作来确定，但可以通过实施具有大电容器(例如，47μF或以上以补偿低频)的整流电路来将其调整为连续波(CW)。图6E示出了在软性食物咀嚼动作下SDI的平均电压输出的综合结果，该动作范围从约30N到约100N(f＝5Hz)。平均电压输出可测量为0.4V(±2.6MV)至1.3V(±2.8MV)，作为所施加咀嚼力的函数(V＝0.014F+0.058；R2＝0.97；其中V是电压，F是所施加力)。
图7A示出了可以使用定制的剪切力施加机施加到SDI的洗刷动作。可以观察到与来自咀嚼机的电压输出类似的电压输出(见图7B至图7D)。在没有电路的情况下，由洗刷动作引起的电压输出可以具有三种状态，当刷纤维开始扫入时的正电压，当刷纤维完成扫入并缓慢地从SDI离开时的负电压，以及空闲期。在一些实施例中，电压上升和电压下降的时间长度可为咀嚼动作的一半(例如，20毫秒对比40毫秒)。这可归因于施力方向相对于SDI的极化方向。在制造过程中，SDI可以在d33方向(即，纵向)上进行极化。咀嚼动作可以与极化在相同的方向上，其在某些情况下可为能量采集的首选方向。在非限制性实施例中，洗刷动作可以垂直于极化方向，d31(即，横向方向)，其将开路电压与输入机械应力相关联的压电常数可以是初级极化方向的大约一半(测量为113(±4.08)pC/N)。尽管压电常数只有一半，但洗刷动作下的牙冠可以产生与咀嚼动作相当的电压输出：0.7V(±5.4mV)对比1.0V(±2.8mV)。SDI的平均输出(n＝3)可以与施加的力成线性比例，如图7E所示(V＝0.009F-0.005；R2＝0.99)。这可能是由于SDI的几何形状的对称性(即，低纵横比)，即使在横向洗刷动作下，牙冠的大部分也会在纵向力下变形(泊松比补偿d33和d31常数的差异)。
在某些实施例中，所公开的主题提供了各种人体口腔动作(例如，咀嚼和洗刷)。图6A示出了咀嚼模型，其使用可编程机电通用试验机(311R，TestResources,Inc.)。其能够通过调整轴的横移路径和速度，根据受控参数模拟拮抗肌打击。一系列完整的咀嚼循环可以在SDI的远颊尖上执行。配重可以变化，其可以加载拮抗剂并在研磨动作中产生接触压力。在某些实施例中，可以采用软性食物咀嚼动作参数(例如，速度＝20-40mm/s，力＝0-200N，频率＝1-5Hz)。
图7A示出了使用定制设计的旋转装置的洗刷模型。旋转可以由电机(BDC3030,CaframoLimited)引起，该电机固定底部带有方形叶片的中心钢杆。在叶片上，两端可以安装两个牙刷头。然后可以将中心杆放置在圆形平台的顶部，该平台还可以在其边缘固定多个塑料杆，以便刷头可以在中心杆旋转时扫过安装在塑料杆上的SDI。在非限制性实施例中，可以在塑料杆上引入指定空间来安装SDI。刷子的细丝与SDI重叠约5mm。在一些实施例中，可以采用洗刷动作参数(例如，速度＝2mm/s，法向力＝12N(假设每个行程上有600根细丝扫过SDI，并且单个细丝产生的法向力约为20mN)，剪切力＝15–70N，频率＝1–5Hz)。
图8A图示出了用于光辐照度测量以及体外PBM治疗的示范性设置，它可以将咀嚼机或刷牙机下的SDI与电子装置，即整流器和微型LED，连接起来。从咀嚼和洗刷动作中采集能量的结果表明低功率的LED可以得到足够的能量。在咀嚼动作(如70N)或洗刷动作(如100N)下，可测得平均电电压为1.3V。红色LED的相应光辐照度可以测量为约0.3mW/cm2。对于相同的光辐照度，近红外LED可以是0.8V，其可以从大约60N的咀嚼动作或大约90N的洗刷动作中获得。在某些实施例中，所有光测量都可以由黑匣子中的硅光电二极管执行。
在一些实施例中，可以评估使用SDI进行光生物调节治疗的疗效。例如，每孔一个LED可用于量化光强度在近接触模式下对原发性人牙龈角质形成细胞(HGK)的基线影响。在某些实施例中，多个LED通过将它们以并联配置连接可以在咀嚼或洗刷动作下用SDI供电。在非限制性实施例中，SDI介导的PBM疗法可以使用脉搏波(PW)和连续波(CW)进行评估，因为在某些生物环境中，PW光疗法可能比CW光疗法更有效。图8B示出了根据各种PW频率的SDI原型的平均光辐照度。由于电容器可以更频繁地充电，因此平均光辐照度可以在较高频率下增加，从而提高能量采集效率。
图9A图示出了根据所公开主题的一些实施例的远颊尖上的牙合负荷的有限元分析(“FEA”)。智能牙科种植体系统可以具有足够的机械强度来承受较大的咀嚼/咬合力，因为牙冠尤其是在臼齿区中经常暴露在这些力下。例如，平均最大咬合力可以约为700–900N。对于牙齿种植，FEA模拟已被广泛用于评估机械性能，包括FDA指南。因此，可以执行FEA模拟(COMSOLMultiphysics)来评估各种臼齿设计上的应力条件。图6示出了牙合负荷在注入BTONP的臼齿上的von-Misses应力模拟结果。模拟结果显示，该工程牙科材料可承受高达42MPa的von-Misses应力，这达到了临床可接受的水平。
机电万能试验机(310，TestResourcesInc.)可与ISO4049(牙科-聚合物基修复材料)特定的测试夹具和生物医学浴(模拟体温)一起使用，用于进行全面的机械评估。如图9B所示，可以使用3点弯曲夹具。使用工程牙科材料制备了总共10个25×2×2mm3的梁结构。力和变形可以在很大程度上测量。然后可以用以下方法计算FS和FM：
其中，b＝梁宽(mm)，h＝梁高(mm)，F＝荷载-挠度曲线上给定点的荷载(N)，L＝支撑跨距(mm)，并且d＝F处的相应挠度(mm)。
可通过测量牙科材料中含有BTO-NPs的智能牙科种植体牙冠的挠曲强度(“FS”)和实际模量(“FM”)来进一步验证模拟结果。表I总结了我们的SDI与其他材料的机械强度的比较。SDI中使用的牙科复合材料显示FS为50MPa并且FM为6630MPa，这与其他地方报告的牙科树脂的机械强度相当(FS：65–130MPa，FM：2000-7500MPa)。表明了工程牙冠可以合理地承受冲击力(弯曲强度)，同时产生较低的挠度(弯曲模量)。
表I：机械强度比较
图10A至图10C图示出了根据所公开主题的一些实施例的压电纳米粒子的抗生物膜活性。排斥微生物粘附并阻断牙冠表面的后续定植对于最小化细菌对人牙龈角质形成细胞(“HGK”)的挑战至关重要，从而降低种植体周围疾病的发病率。图10使用体外生物膜模型描述了嵌入牙科材料表面的BTO-NPs对代表性的口腔细菌(变异链球菌)的抗生物膜活性。变异链球菌可以在唾液包被的BTO-NPs嵌入盘上培养19小时。
如图10A中所示，许多相当大的变异链球菌菌落可以均匀分布在没有BTO-NPs的盘上。如图10B中所示，嵌入牙科材料表面的BTO-NPs几乎完全阻断了生物膜的形成(即生物量的减少超过90％)。总的来说，图10C中的数据示出了BTO-NPs的有效抗生物膜效应，其可以减少对细菌入侵的炎症，从而显著增强HGK的免疫力。
图11图示出了进行和不进行PBM治疗的HGKs的活性。PBM治疗的效率可以基于在咀嚼动作下使用红光(“R”)和近红外(“NIR”)进行照射HGKs对细菌入侵的活性来检测。可以测试连续和脉冲波条件(分别为5Hz和PW5或500Hz和PW500)。首先，脂多糖(“LPS”)在HGKs上诱导炎症，该脂多糖(“LPS”)可以是革兰氏阴性细菌外膜的刺激宿主细胞的主要毒性成分并诱发细胞炎症。PBM疗法对LPS发炎的HGKs细胞的疗效可以在两个参数下进行测试：1)假设每天人类口腔运动活动，90分钟的R和NIR暴露时间；2)10μg/mL的LPS由于炎症开始而没有严重的细胞死亡。注意，可以排除蓝色和绿色辐照度，因为它们大大降低了细胞活性。
HGK可以在补充有包括标准胰岛素(8.6x10-7M)的人类角质形成细胞生长补充剂(Lonza,Walkersville,MD)的KGM-2生长培养基中、在37℃下在5％的CO2的潮湿的空气中进行培养。最初，HGKs细胞可以以5×104个细胞/孔接种在24孔板中，并在37℃下生长48个小时。在培养48个小时后，细胞可以用1xPBS洗涤，并在相关处理(LED照射和/或LPS处理)后在没有人类角质形成细胞生长补充剂的培养基中再培养48个小时。细胞活性可以使用MTT(3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物)(细胞增殖试剂盒I，德国罗氏)测定。50μL的MTT标记试剂(终浓度为0.5mg/mL)可以加入到每个孔中。然后，可将细胞在37℃下在CO2培养箱中培养4小时。可以加入500μL增溶缓冲液(0.01MHCl中的10％SDS)，并且可以将板在培养箱中放置过夜以溶解甲臜晶体。然后可以使用酶标仪(BioTek,Winooski,VT)在570nm的波长下测量样品的光密度(OD)值。治疗组的OD值总是可以针对未治疗的对照组的OD值进行归一化。
为了研究细胞对细菌诱导的炎症的反应，可以将细胞暴露于LPS(Sigma,St.Louis,MO)。首先，可以通过加入各种浓度的LPS(0-100μg/mL)来确定诱导炎症的最佳浓度。HGKs细胞生长48个小时后，可以洗涤细胞，并用新鲜培养基(无生长补充剂)替换培养基。然后，可以加入LPS，随后可以将细胞再培养48个小时。在预先确定的LPS的最佳浓度(0-20μg/mL)的情况下，可以在LPS暴露前用LED预处理细胞，并且随后将细胞再培养48个小时。然后，可以使用MTT试验评估细胞的活性。
图11中的数据显示，所有条件不仅能够完全恢复HGKs对LPS刺激的活性(与有LPS的对照组相比)，而且还能显著提高细胞的活性(与无LPS的对照组相比)。有趣的是，可以观察到不同条件下不同水平的治疗效果(即，R-CW或NIR-PW500与LPS对照组相比，细胞活性增加高达85％)，这表明特定波长或频率可以以不同的方式刺激HGK中的生色团。
图12示出了细胞对致病微生物细胞的反应。为了研究细胞对致病微生物细胞的反应，可将真菌白念珠菌和口腔链球菌引入HGKs。图12中的数据表明，红光或近红外辐照可以完全恢复HGKs对病原微生物入侵的汇合度。当没有微生物攻击时，细胞可以表现出高熔合度和细胞之间的紧密连接。紧密连接是上皮细胞中的细胞间粘附复合物。紧密连接可以将相邻的上皮细胞密封在其顶端表面下方的窄带中，并通过限制顶端和基底层跨膜成分的相互混合来支持细胞极性的维持。当HGKs暴露于细菌或真菌时，它显示出增殖损失和紧密连接。在非限制性实施例中，当它们面临细菌和真菌的共同感染时，组织可能会受到严重破坏。然而，当HGKs可以暴露于红色或红外辐射时，这些几乎完全恢复。在一些实施例中，近红外辐照可以提高HGKs对微生物攻击的增殖，该微生物攻击可以是细菌-真菌的协同联合入侵。因此，数据显示，所公开的PBM疗法可以从微生物感染中恢复人类角质形成细胞。
图13中的数据示出了在有或没有近红外辐射的情况下微生物入侵后HGKs的数量。当HGKs可以被金黄色葡萄球菌(Sa)或口腔链球菌(So)或真菌白色念珠菌(Ca)或它们的组合感染24h时，HGKs的数量可以减少(例如，双物种和三物种感染)。相比之下，在近红外光的刺激下，HGKs的数量可以完全恢复，与没有感染的细胞水平相当(虚线)。这些数据支持所公开的PBM疗法在增强细胞免疫力以对抗可怕的和持久的微生物攻击方面的强大功效。
为了验证我们设备的可行性，SDI可以安装在迷你猪的嘴里。由于与人类的显着解剖学相似性和不同程度的已建立牙周病模型，可以使用迷你猪模型。如图14所示，可以布置一成功的手术方案，并且可以使用所公开的种植体周围疾病的迷你猪模型来验证SDI系统的原型的功能。例如，可以使用无牙周病、3-4个月大、平均体重为30公斤的迷你猪。在使用公认的全身麻醉方案的无菌条件下，可以手术拔除下颌前臼齿和/或第一臼齿。在手术拔除下颌前臼齿和/或第一臼齿后，可以准备牙槽骨用于可以放置在每个半下颚骨中的钛种植体。然后，软组织可以闭合，使结构愈合。大约六周后，可以将动物麻醉，以便将智能牙冠和智能基台放置在集成的种植体上。所公开的方案可用于牙科诊所。
独立实验的结果可以表示为平均值±SD。实验数据的统计分析可以使用学生的t检验进行。实验可以重复至少两次以进行测定。当P值小于0.01时，可以认为数据具有统计显著性。
上述内容只是说明了所公开主题的原理。对于本领域的技术人员来说，鉴于本文的教导，对所述实施例的各种修改和改变是显而易见的。因此，可以理解的是，本领域的技术人员将能够设计出许多技术，这些技术虽然没有在此明确描述，但却体现了所公开的主题的原理，因此属于其精神和范围。

Claims (22)

1.一种用于患者的非卧床牙科护理的智能牙科种植体系统，包括：
牙冠，适于模拟患者的解剖结构和所述智能牙科种植体系统的位置，还包括布置在所述牙冠的表面上的压电纳米粒子，其中所述压电纳米粒子适于由所述患者的口腔动作发电；以及
基台，其联接至所述牙冠，进一步包括：
能量采集电路，其可操作地耦合到所述压电纳米粒子，适于采集电力；以及
微型LED阵列，其可操作地耦合到所述能量采集电路，其中所述微型LED阵列适于对周围的种植体周围软组织进行光生物调节。
2.根据权利要求1所述的智能牙科种植体系统，进一步包括适于插入所述患者的颚骨的金属柱，以及适于将所述金属柱联接至所述基台的固位螺钉。
3.根据权利要求1所述的智能牙科种植体系统，其中，所述压电纳米粒子布置在所述牙冠的表面上的牙科材料中。
4.根据权利要求3所述的智能牙科种植体系统，其中，所述压电纳米粒子是钛酸钡纳米粒子。
5.根据权利要求4所述的智能牙科种植体系统，其中，所述钛酸钡纳米粒子以0％至40％重量的浓度布置在所述牙科材料中。
6.根据权利要求4所述的智能牙科种植体系统，其中，所述钛酸钡纳米粒子通过烧结工艺注入陶瓷牙科材料。
7.根据权利要求1所述的智能牙科种植体系统，其中，所述压电纳米粒子进一步适于具有抗生物膜的效果。
8.根据权利要求1所述的智能牙科种植体系统，其中，所述口腔动作包括咀嚼、咬合和洗刷中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的智能牙科种植体系统，其中，所述能量采集电路进一步包括适于将所述电力转换成直流电压的交流-直流整流器，以及适于存储所述直流电压的电源管理单元。
10.根据权利要求1所述的智能牙科种植体系统，其中，所述基台进一步包括LED驱动电路，其适于产生两种不同的电压电平和频率，使得所述微型LED阵列适于以多个波长对周围的种植体周围软组织进行光生物调节。
11.根据权利要求1所述的智能牙科种植体系统，其中，所述微型LED阵列进一步包括至少四个相隔90度布置的微型LED，使得所述微型LED阵列适于对周围的种植体周围软组织进行光生物调节。
12.根据权利要求1所述的智能牙科种植体系统，其中，所述牙冠进一步适于具有足够的机械强度以通过两相复合配置来承受大的咬合力。
13.一种促进健康的组织并且防止牙科种植体和患者的软组织的界面处的骨质流失的方法，包括:
将金属柱插入患者的颚骨；
将牙科种植体联接至所述金属柱，其中压电纳米粒子布置在所述牙科种植体的表面上，使得所述压电纳米粒子由所述患者的口腔动作发电；
从所述压电纳米粒子采集电力作为采集的电力；以及
用采集的电力对种植体周围的软组织进行光生物调节。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述牙科种植体由固位螺钉联接至所述金属柱。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，采集包括将电力转换为直流电压并将所述直流电压存储为采集的电力。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将压电纳米粒子熔合到牙科材料上以产生所述牙科种植体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述压电纳米粒子是钛酸钡纳米粒子。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述钛酸钡纳米粒子以0％至40％重量的浓度在所述牙科种植体的表面上布置在所述牙科材料中。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述钛酸钡纳米粒子通过烧结工艺作为散装材料注入所述牙科材料中。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述口腔动作包括咀嚼、咬合和洗刷中的至少一种。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，所述压电纳米粒子排斥生物膜粘附并阻断随后生物膜在牙科种植体上的定植。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光生物调节包括多个波长。
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