湘雅口腔劉歐勝教授團(tuán)隊發(fā)表增材制造引導(dǎo)骨再生膜新成果

來源：中國醫(yī)學(xué)論壇報

近日，芙蓉實驗室醫(yī)用材料與生物仿真研究部負(fù)責(zé)人、中南大學(xué)湘雅口腔醫(yī)院院長、湖南省口腔數(shù)智化與個體診療技術(shù)工程研究中心主任劉歐勝及其帶領(lǐng)的湘雅口腔生物智造團(tuán)隊在材料學(xué)經(jīng)典期刊《今日材料》（Materials Today）（IF=21.1）雜志上發(fā)表了題為“增材制造個性化、半滲透、可降解高分子/金屬復(fù)合引導(dǎo)骨頭再生膜（Additive Manufacturing of Personalized, Semipermeable and Biodegradable Polymer/Metal Composite Membrane for Guided Bone Regeneration）”的研究論文 。

芙蓉實驗室、湘雅口腔醫(yī)院劉歐勝教授、程峴副教授、華南理工大學(xué)韓昌駿副教授及湖南大學(xué)朱偉副教授為共同通訊作者，湘雅口腔醫(yī)院劉焱萍副教授及2023級碩士李英杰為共同第一作者，湘雅口腔醫(yī)院盧燕勤教授及周紅波副教授參與指導(dǎo)本研究。

引導(dǎo)骨再生術(shù)（Guided bone regeneration，GBR）是目前治療牙槽骨骨量不足的主要方法。GBR是通過植入GBR膜阻隔上皮和纖維結(jié)締組織，防止其過早長入骨缺損部位，選擇性保護(hù)骨組織成分的優(yōu)先生長。由于高機(jī)械性能的需要，對于大面積或復(fù)雜牙槽骨缺損，目前臨床常用的是鈦等金屬基材料制作的GBR膜。與傳統(tǒng)醫(yī)用金屬鈦和鎂相比，鋅因其良好的機(jī)械性能、可降解但不產(chǎn)生氫氣、降解釋放的Zn2+能誘導(dǎo)骨生長并提供抗菌性能，被認(rèn)為是一種可維持大面積或復(fù)雜缺損空間、無需二次手術(shù)取出、無皮下氣腫并發(fā)癥、能加速牙槽骨再生且能預(yù)防術(shù)后感染的新型GBR膜材料。而目前臨床常用是金屬的片或條，需要醫(yī)生在GBR手術(shù)過程中手動切割、彎曲和個性化塑形以適應(yīng)牙槽嵴的形態(tài)。這一過程不僅耗時，而且增加患者感染風(fēng)險。不精確的塑形還會導(dǎo)致膜與牙槽嵴不完全貼合。此外，在切割和彎曲過程中產(chǎn)生的尖銳邊緣可引發(fā)機(jī)械刺激，導(dǎo)致黏膜破裂和金屬膜暴露等并發(fā)癥。通過3D打印技術(shù)制備的個性化鋅基GBR膜能夠縮短手術(shù)時間、提高手術(shù)精度并降低并發(fā)癥發(fā)生率。

另一方面，GBR膜本質(zhì)是屏障膜，其核心功能是半透性，即抑制成纖維細(xì)胞向骨缺損部位遷移生長的同時不影響營養(yǎng)物質(zhì)的交換。引入多孔結(jié)構(gòu)可以調(diào)控材料的透性。然而，在3D打印金屬基GBR膜的復(fù)雜曲面上設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)，易造成應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致裂紋形成，降低膜的機(jī)械性能。此外，成纖維細(xì)胞大小是十幾到幾十微米，如要實現(xiàn)半透性，需要更小的孔設(shè)計。激光粉末床熔融是基于微米級金屬粉末的3D打印技術(shù)，過小的孔隙設(shè)計在制造過程中會導(dǎo)致嚴(yán)重的堵孔。另外，多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計也會顯著增加鋅基材料的比表面積并導(dǎo)致其過快降解，影響膜在骨再生期間的機(jī)械完整性。

為了解決以上需求，本研究探索一種基于電化學(xué)組裝和激光粉末床熔融的復(fù)合增材制造方法以制備個性化、半透性和可生物降解的高分子/金屬GBR膜。具體而言，首先根據(jù)患者牙槽骨缺損的CBCT數(shù)據(jù)，通過逆向工程建立個性化GBR膜所需的復(fù)雜曲面外形模型。其次，采用自主研發(fā)的“曲面隨形單元填充算法”實現(xiàn)復(fù)雜曲面膜的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計。相較于傳統(tǒng)單元填充設(shè)計，該新設(shè)計方法能確保復(fù)雜曲面上單元結(jié)構(gòu)的完整性和應(yīng)力分布的均勻。隨后，通過激光粉末床熔融技術(shù)3D打印個性化的多孔曲面鋅膜基底；利用電化學(xué)組裝技術(shù)，以多孔曲面鋅膜作為支撐結(jié)構(gòu)和模板，讓殼聚糖/明膠的冷凍凝膠在鋅基底表面生長，實現(xiàn)大孔金屬膜和小孔高分子膜的“共形互嵌”，以滿足GBR膜的半滲透性要求(圖1a)。研究表明該復(fù)合膜能夠有效傳輸營養(yǎng)物質(zhì)，同時抑制100%成纖維細(xì)胞的浸潤。與純多孔鋅膜相比，殼聚糖/明膠冷凍凝膠膜的共形覆蓋增強(qiáng)了GBR膜的機(jī)械性能并降低了其降解速率，使其能保證60天以上的結(jié)構(gòu)完整性，有利于GBR術(shù)后初期成骨所需要的空間維持。此外，通過控制降解速率，該復(fù)合膜緩解了純多孔鋅膜初期降解過程中Zn2+ 釋放過快所帶來的細(xì)胞毒性。通過緩釋Zn2+，該復(fù)合膜還能表現(xiàn)出顯著的促成骨和抗感染能力(圖1b)。這些發(fā)現(xiàn)提示該個性化、半滲透、可降解鋅/殼聚糖-明膠膜在大面積或復(fù)雜牙槽骨缺損GBR術(shù)中的應(yīng)用潛力，并為如何利用電化學(xué)組裝-激光粉末床熔化復(fù)合增材方法構(gòu)建個性化高分子/金屬復(fù)合生物材料提供了應(yīng)用參考。

圖1 復(fù)合膜作用原理示意圖

湘雅口腔生物智造團(tuán)隊在劉歐勝教授的帶領(lǐng)下，以盧燕勤教授、程峴副教授、劉焱萍副教授等老師為團(tuán)隊骨干，依托芙蓉實驗室醫(yī)用材料與生物仿真研究部、湖南省口腔數(shù)智化與個體診療技術(shù)工程研究中心建設(shè)。團(tuán)隊聚焦“在運(yùn)動、潮濕口腔黏膜微環(huán)境中控釋藥物（含治療性離子）困難”等臨床問題，運(yùn)用微納電化學(xué)組裝等先進(jìn)技術(shù)智造新型藥物遞送系統(tǒng)。近年來，以第一/通訊作者在Matter （2021，2019），Materials Today（2025），Progress in Materials Science（2023），Bioactive Materials（2021），Bone Research（2021），International Journal of Oral Science（2024），Journal of Dental Research（2022）等領(lǐng)域高水平雜志發(fā)表論文25篇（9篇IF>10），申請國家發(fā)明專利14項，獲批國家重點研發(fā)項目課題等國家級課題5項、省重點研發(fā)項目等省部級課題9項。團(tuán)隊成員入選省衛(wèi)建委“高層次人才”、省科協(xié)“中青年優(yōu)秀科技人才”、省科技廳“青年科技人才（青拔）”、省委組織部“湖湘青年英才”、省教育廳“優(yōu)青”等。團(tuán)隊獲省科技進(jìn)步一等獎、人社部全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎。