《Journal of Orthopaedics》：Programmable materials: A comprehensive review on shape memory polymers for orthopedic applications
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形状记忆聚合物（SMP）因其可降解性、生物相容性和可编程性成为骨科植入物的理想材料，能通过外部刺激实现形状恢复，优于传统金属合金。本文综述了SMP在骨组织再生、FDA批准应用及AI辅助设计中的进展，探讨其机械性能与生物相容性协同优化策略及未来发展方向。
阿努帕玛·查利梅斯瓦米（Anupama Chalimeswamy）、斯里哈尔沙·库马尔（Sriharsha Kumar）、阿比吉特·谢塔尔（Abhijith Shettar）、Y,C 阿伦（Y,C Arun）
印度卡纳塔克邦图马库鲁（Tumakuru）的西达甘加技术学院（Siddaganga Institute of Technology）生物技术系，邮编572103
摘要：
形状记忆聚合物（Shape Memory Polymers，SMP）是一种智能、活性聚合物，能够在外部刺激（如热或温度、pH值、电场和磁场）的作用下显著改变其性能。与传统金属合金相比，SMP具有可降解性、生物相容性、无毒性和低成本等优点，同时免疫原性较低。它们能为宿主细胞中的组织再生创造适宜的微环境。因此，在需要具备高强度和柔韧性的骨科应用中，形状记忆聚合物是一种极具前景的可编程材料。形状记忆和自修复能力是设计支架材料时需要考虑的两种基本特性。本文综述了用于骨科治疗的金属形状记忆合金/陶瓷/形状记忆聚合物/自适应支架材料的研发进展，同时探讨了骨生物学、SMP的特性、FDA批准的应用情况、基于人工智能（AI）的骨支架开发策略、当前发展趋势及未来前景。
引言
骨骼/关节退化问题在全球范围内影响着人们。治疗骨骼缺陷本身就是一个社会经济挑战[1]。任何与骨骼相关的损伤/创伤、自身免疫疾病或年龄相关疾病都可能导致长期愈合过程和疼痛。据报道，美国每年约有1500万例骨折病例，其中包括膝关节置换、髋关节置换、创伤性骨折和骨质疏松症相关的并发症[2]。骨骼和关节在日常活动中需要极高的机械强度[3]。骨科植入物可分为临时固定装置和关节置换物，例如用于髋关节、膝关节、踝关节、肩关节和肘关节的螺钉、钢板、钉子及外部固定器等[1]。几十年来，形状记忆合金（SMA）、陶瓷和聚合物等智能材料已被广泛应用于骨科植入物[4]。美国食品药品监督管理局（FDA）已批准多种金属/陶瓷/聚合物/复合材料用于骨骼治疗[5]。目前，由于形状记忆聚合物的优异性能，它们在骨科领域越来越受到青睐[6]。与SMA相比，SMP具有更好的形状记忆特性：更轻便、更柔软、可生物降解，并且具有优异的延展性。它们能够根据温度、pH值、光线、溶剂和电场等外部因素改变形状和尺寸[6]。据最新报告，2021年至2027年间，形状记忆聚合物市场的增长率将达到21.5%[7]。选择形状记忆生物聚合物植入物时需考虑骨折的严重程度。形状记忆聚合物的设计和选择不仅基于其物理化学性质，还与其与宿主细胞的相互作用（即生物相容性）有关[8]。SMP的生物相容性体现在机械相容性（植入物的稳定性）、生物相容性（植入物与组织的整合能力）、组织相容性（炎症反应）以及血液相容性（促进愈合的能力）等方面[6]。因此，理想的生物聚合物应具备所有这些生物相容性特征。
本文总结了形状记忆聚合物作为骨科植入物的发展历程，阐述了其与金属植入物的优势，并探讨了其在组织工程中的支架应用、人工智能在骨支架开发中的应用以及未来前景。多项研究关注了形状记忆聚合物材料在材料科学和医学应用方面的潜力。本文重点介绍了材料科学在骨科领域中的突破性进展。
章节节选
金属
生物惰性金属植入物通常由纯金属或合金制成，例如钢、钛、镍、铝、钴和铬等[4]。这些金属基合金以螺钉、钢板和髋钉的形式使用，具有良好的机械强度和耐磨性，并具有生物相容性。金属表面常涂覆羟基磷灰石、细胞外基质（ECM）、陶瓷镁和壳聚糖等物质，以增强与周围组织的相互作用[9]。另一种方法是喷涂或涂层处理[10]。骨生物学
研究骨生物学对于理解金属或非金属（如形状记忆聚合物）植入物在体内的行为至关重要[45]。骨骼作为内部器官的支撑结构，负责储存矿物质（钙和磷酸盐），并通过造血过程生成血液成分[46]。骨骼由有机成分胶原蛋白（称为骨胶蛋白）和无机成分羟基磷灰石构成[47]。骨骼组织可分为两种类型...
SMP支架的特性
选择用于骨骼组织再生的生物聚合物植入物/支架的标准包括：无毒、可生物降解（在原位吸收）和生物相容性。临床应用要求SMP具备机械性能、生物相容性、高耐磨性、高耐腐蚀性、无毒性和骨整合能力[10][65]。可生物降解的聚合物可被酶分解，且分解过程不会引发并发症[11]。
骨科形状记忆聚合物植入物/支架面临的挑战
尽管许多先进的形状记忆合金/陶瓷/聚合物因具有与骨骼生理特性相似的生物力学性能而在骨科植入物中得到成功应用，但仍需解决不可生物降解性和毒性问题。新型可生物降解聚合物的制备方法仍面临挑战，以进一步提升其骨生物学性能[138]。此外，骨血管生成也是需要研究的重点领域...
未来展望
尽管智能金属/生物聚合物/纳米材料不断发展，但目前获得临床批准的材料仍较为有限。在严重骨折、关节损伤和骨病等情况下，仍需使用传统的金属器械/假体，这些传统材料尚未被完全替代。因此，从第一代形状记忆合金到第四代聚合物，每种材料都有其适用范围、优势和局限性。近期研究中，人工智能（AI）在骨科应用中的使用备受关注...
结论
骨科手术复杂，对临床医生和材料科学工程师来说充满挑战。金属/非金属聚合物/生物材料已被广泛应用于骨科手术。虽然金属植入物（如钛合金、钴合金和镁合金）具有优异的机械性能，但其骨生物学性能有限。相比之下，新一代形状记忆聚合物材料在生物力学和骨生物学方面表现更佳...
利益声明
作者与本文讨论的任何组织或机构均无关联或财务利益冲突，也未涉及任何形式的财务利益，包括就业、咨询、报酬、股票持有、专家证词、已获或待审的资助或专利等。
审稿人声明
本文的审稿人没有需要披露的财务或其他利益关系。
伦理声明
不适用
监护人声明
不适用
资助情况
本文未获得任何机构的资助
资助声明
本文未获得任何机构的资助
利益冲突声明
作者与本文讨论的任何组织或实体均无关联或财务利益冲突。
致谢
作者感谢图马库鲁的Sree Siddaganga教育协会在各方面给予的支持和鼓励。
