一种具有集成屏障功能壳的3D可降解支架，用于肺泡骨再生

《Biomass and Bioenergy》：3D architected degradable scaffold with an integrated barrier functional shell for alveolar bone regeneration

本研究采用可降解生物活性玻璃45S5通过数字光处理技术设计制造了具有集成屏障功能壳层的三维架构支架，系统探究壳层微结构对骨再生效能的影响。实验结果表明，120μm深微孔壳层组骨体积分数达30.72%±5.52%，显著优于其他组别，且支架降解率（29.87%±6.89%）和力学性能（抗压强度9.12MPa，弹性模量0.98GPa）满足临床需求。

　　

陈丹|郑玲玲|王超|艾莉娅|王文杰|范宇波

北京航空航天大学生物力学与机械生物学重点实验室（教育部资助），工业和信息化部先进医疗设备创新与转化重点实验室，国家先进医疗设备产学研一体化创新平台（医学与工程交叉领域），北京航空航天大学生物科学与医学工程学院，中国北京100191

摘要

为了解决传统屏障膜在牙槽骨再生中的局限性，本研究旨在设计和制造具有集成屏障功能壳层的3D结构可降解支架，并探索其成骨效果，特别是壳层微观结构对成骨作用的影响。采用可降解的45S5生物活性玻璃作为原材料，通过数字光处理技术制备了四种类型的支架。具体而言，对照组为具有通孔的屏障功能壳层支架；三个实验组则分别具有不同深度（0 μm、60 μm和120 μm）的微坑屏障功能壳层支架。该集成支架表现出优异的生物活性，在12周时的降解率为29.87 ± 6.89%；其机械性能也符合要求，压缩强度为9.12 ± 1.82 MPa，弹性模量为0.98 ± 0.23 GPa。实验结果表明，具有非通孔壳层的实验组成骨高度显著高于具有通孔壳层的实验组（分别为4.53 ± 0.11 mm vs 3.25 ± 0.14 mm）。值得注意的是，具有最深微坑（120 μm）的实验组显示出最高的成骨效率，骨体积分数为30.72 ± 5.52%，骨面积分数为28.29 ± 3.67%。综上所述，这种具有集成屏障功能壳层的支架具备出色的屏障和成骨性能。通过调节壳层微观结构的设计，可以有效调控其屏障功能，从而为牙槽骨再生提供实用且有效的解决方案。

引言

由于外伤、先天性疾病、牙周病和肿瘤切除等原因导致的牙槽骨缺损的再生仍然是牙科手术实践中的重大挑战，也是临床研究的重要课题[1]，[2]。实现成骨作用通常需要满足四个基本生物学原则：初次伤口闭合、血管生成、空间维持以及初始血凝块的稳定性[3]。引导性骨再生（GBR）是一种可行的外科技术，通过使用屏障膜覆盖骨缺损区域来防止软组织侵入，并确保骨再生所需的空间，被认为是实现成骨的有效方法[4]。

由于屏障膜是GBR中骨再生的关键基础，研究人员提出了多种材料以寻找最理想的屏障膜[5]，[6]。最初，不可降解膜被率先应用于临床。这些膜由不可降解材料制成，如膨胀聚四氟乙烯（e-PTFE）、高密度聚四氟乙烯（d-PTFE）[7]，[8]以及钛网[9]，[10]，[11]，它们具有良好的机械强度和空间维持能力。尤其是20世纪90年代广泛使用的e-PTFE膜曾被视为黄金标准[12]。然而，由于其不可降解的特性，需要二次手术进行移除，并且在临床应用中存在较高的暴露和感染风险。为了解决这些问题，研究人员开发了可降解膜，主要由可降解的合成聚合物或天然聚合物制成[13]。这些膜的降解速率各不相同，其机械和生物性能也与不可降解膜有所不同。Bio-Gide胶原膜（瑞士Wolhusen的Geistlich Pharma公司生产）是最常用的商业可降解膜之一。然而，Bio-Gide膜在临床应用中仍存在局限性，尤其是在垂直牙槽骨增量方面。其快速降解速率和较弱的机械性能常常无法满足稳定骨形成所需的空间维持要求[14]。实际上，理想的膜特性除了屏障功能外，还应包括足够的机械性能、适当的降解速率和空间维持能力[15]。

近年来，研究人员结合增材制造、冷冻干燥、电纺和蒸发诱导自组装等新兴技术，开展了大量关于理想GBR膜的研究[16]，[17]。Aldemir Dikici等人[18]利用电纺和乳液模板技术制备了一种双层结构膜，上层用于限制上皮细胞侵入，下层促进骨细胞的浸润、钙沉积和矿物质沉积。Tamburaci等人和Lotfi等人[20]制备了由致密层和多孔层组成的膜。致密层模仿了骨膜的纤维结构，采用冷冻干燥和干相反转技术制备；而电纺技术则用于制备多孔层，以促进成骨细胞的迁移和血管的重建。目前，关于屏障膜的研究主要集中在提升其屏障功能和成骨诱导能力上，而对其在成骨过程中的空间维持能力关注不足。实际上，同时实现所有这些期望功能的单一GBR膜仍是一个重大挑战。

特别是对于较大的垂直牙槽骨缺损，维持足够的长期骨形成空间对于缺损再生至关重要[21]，[22]。目前，在临床实践中，常使用钛网和PTFE作为具有机械支撑功能的屏障膜来维持骨再生所需的空间。尽管取得了一些成功，但它们的不可降解特性需要二次手术移除，刚性可能导致软组织暴露，且与骨移植材料不融合会导致不满意的骨再生效果[23]，[24]，[25]。鉴于口腔临床领域的当前需求，迫切需要一种新型的骨再生支架。理想的支架不仅应持续提供足够的骨组织形成空间，还应具备有效的屏障功能。

为了解决这一问题，本研究充分利用了增材制造技术的优势，设计并制备了一种理想的支架。该支架结合了屏障膜和支持性支架：屏障功能壳层用于防止软组织侵入，支持性网格支架用于维持成骨空间并促进骨再生。这一创新方案的优势体现在两个方面：植入初期，支架可充分发挥其屏障功能，完全阻止软组织侵入，从而促进支架内血凝块的形成；植入后期，随着支架材料逐渐降解，产生的孔隙（或裂纹）可为骨再生提供必要的血液供应支持。此外，壳层上可以精细设计不同深度的微坑。不同深度的微坑会导致壳层结构厚度不均，进而直接影响其降解行为。不同的降解行为将显著影响支架内的成骨效果。

因此，本研究的目的如下：1）使用具有通孔壳层的支架作为对照组，比较和验证具有集成屏障功能壳层的支架的成骨效果；2）在屏障功能壳层上设计不同深度的微坑，并比较不同微坑深度对垂直骨缺损成骨效果的影响。采用可降解的45S5生物活性玻璃作为原材料，通过数字光处理（DLP）增材制造技术制备集成支架。系统研究了设计方案、增材制造过程、体外细胞实验、降解性能以及体内成骨效果，以验证这一创新方案的实际可行性和有效性（图1）。

部分内容摘录

集成支架的设计

该集成支架直径为8毫米，高度为5毫米，由两部分组成：用于防止软组织侵入的屏障功能壳层和用于维持空间及促进骨再生的支持性网格支架。屏障功能壳层为半球形结构，高度为3毫米，厚度为200微米。壳层表面定义了四种不同微坑深度（0 μm、60 μm、120 μm和200 μm）的圆形区域，分别称为第I组（G-Ⅰ）和第II组（G-Ⅱ）

有限元分析结果

FEA中的应力分布分析对于理解屏障功能壳层的设计和支持性网格支架的选择具有重要的参考价值。分析结果显示，第I组、第II组、第III组和第IV组的最大应力分别为82.83 MPa、71.72 MPa、41.52 MPa和267.56 MPa。图S1C–D展示了壳层应力分布的进一步结果。四组数据的中值及超过50%的数据均符合预期

结论

总之，与传统缺乏屏障功能的支架相比，本研究证实了我们创新的3D结构支架（具有集成屏障功能壳层）表现出优异的屏障性能、降解能力和成骨特性。通过调节壳层上微坑的深度，可以有效地控制其降解行为和屏障能力，为牙槽骨再生提供实用且有效的解决方案。

作者贡献声明

范宇波：监督、概念设计。艾莉娅：验证、数据分析。王文杰：项目管理、方法学。郑玲玲：数据可视化、数据管理。王超：监督、概念设计。陈丹：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据分析

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

可根据需求向相应作者提供数据。

竞争利益声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12472301、12332019）、北京市自然科学基金（项目编号：L252160）以及中央高校基本科研业务费和口腔疾病国家重点实验室开放研究项目（SKLOD2025OF01）的支持。