湘雅口腔劉歐勝教授團隊發(fā)表增材制造引導骨再生膜新成果

來源：中國醫(yī)學論壇報

近日，芙蓉實驗室醫(yī)用材料與生物仿真研究部負責人、中南大學湘雅口腔醫(yī)院院長、湖南省口腔數(shù)智化與個體診療技術工程研究中心主任劉歐勝及其帶領的湘雅口腔生物智造團隊在材料學經(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/金屬復合引導骨頭再生膜（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、華南理工大學韓昌駿副教授及湖南大學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本研究。

引導骨再生術（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締組織，防止其過早長入骨缺損部位，選擇性保護骨組織成分的優(yōu)先生長。由于高機械性能的需要，對于大面積或復雜牙槽骨缺損，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，鋅因其良好的機械性能、可降解但不產(chǎn)生氫氣、降解釋放的Zn2+能誘導骨生長并提供抗菌性能，被認為是一種可維持大面積或復雜缺損空間、無需二次手術取出、無皮下氣腫并發(fā)癥、能加速牙槽骨再生且能預防術后感染的新型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手術過程中手動切割、彎曲和個性化塑形以適應牙槽嵴的形態(tài)。這一過程不僅耗時，而且增加患者感染風險。不精確的塑形還會導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)機械刺激，導致黏膜破裂和金屬膜暴露等并發(fā)癥。通過3D打印技術制備的個性化鋅基GBR膜能夠縮短手術時間、提高手術精度并降低并發(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。引入多孔結構可以調(diào)控材料的透性。然而，在3D打印金屬基GBR膜的復雜曲面上設計多孔結構，易造成應力分布不均，導致裂紋形成，降低膜的機械性能。此外，成纖維細胞大小是十幾到幾十微米，如要實現(xiàn)半透性，需要更小的孔設計。激光粉末床熔融是基于微米級金屬粉末的3D打印技術，過小的孔隙設計在制造過程中會導致嚴重的堵孔。另外，多孔結構設計也會顯著增加鋅基材料的比表面積并導致其過快降解，影響膜在骨再生期間的機械完整性。

為了解決以上需求，本研究探索一種基于電化學組裝和激光粉末床熔融的復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)復雜曲面膜的多孔結構設計。相較于傳統(tǒng)單元填充設計，該新設計方法能確保復雜曲面上單元結構的完整性和應力分布的均勻。隨后，通過激光粉末床熔融技術3D打印個性化的多孔曲面鋅膜基底；利用電化學組裝技術，以多孔曲面鋅膜作為支撐結構和模板，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)。研究表明該復合膜能夠有效傳輸營養(yǎng)物質(zhì)，同時抑制100%成纖維細胞的浸潤。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了GBR膜的機械性能并降低了其降解速率，使其能保證60天以上的結構完整性，有利于GBR術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胞毒性。通過緩釋Zn2+，該復合膜還能表現(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雜牙槽骨缺損GBR術中的應用潛力，并為如何利用電化學組裝-激光粉末床熔化復合增材方法構建個性化高分子/金屬復合生物材料提供了應用參考。

圖1 復合膜作用原理示意圖

湘雅口腔生物智造團隊在劉歐勝教授的帶領下，以盧燕勤教授、程峴副教授、劉焱萍副教授等老師為團隊骨干，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工程研究中心建設。團隊聚焦“在運動、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，運用微納電化學組裝等先進技術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。團隊獲省科技進步一等獎、人社部全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎。