《International Dental Journal》：Physical Characteristics and Biocompatibility of 3D-printed Poly(lactic-co-glycolic acid) Membranes with Different Lactic-to-Glycolic Acid Ratios for Guided Bone Regeneration: A Comparative Study
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目的：制备用于引导骨再生（GBR）的三维（3D）打印可吸收聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）膜，并评估具有不同乳酸（LA）-乙醇酸（GA）比例的膜材料的物理及生物学特性，以确定膜生产的最佳PLGA组成。
材料与方法：采用3D打印机分别制备LA:GA比例为50:5
目的：制备用于引导骨再生（GBR）的三维（3D）打印可吸收聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）膜，并评估具有不同乳酸（LA）-乙醇酸（GA）比例的膜材料的物理及生物学特性，以确定膜生产的最佳PLGA组成。
材料与方法：采用3D打印机分别制备LA:GA比例为50:50（A组）、70:30（B组）和85:15（C组）的PLGA膜。使用扫描电子显微镜（SEM）检查膜的微结构，评估其表面润湿性、力学性能和降解行为。采用X射线衍射仪（XRD）分析晶体结构，并通过差示扫描量热法（DSC）评估热学性能。使用SEM、荧光素二乙酸酯染色和PrestoBlue检测法测定膜上成纤维细胞和成骨细胞的活力与增殖情况。通过碱性磷酸酶（ALP）和茜素红（AR）染色确定成骨分化程度。
结果：SEM图像显示膜具有明显的微观特征：上表面粗糙，下表面光滑。此外，LA含量越高，PLGA膜的熔融温度越高，结晶度也越高。所有膜均呈现亲水性表面，水接触角均低于90度。C组膜表现出最大的力学强度，而A组降解更快，产生的酸性副产物多于其他组。接种于所有膜组的成骨细胞和成纤维细胞在第一周内均发生增殖。至第14天，仅C组细胞持续生长，而其他组细胞生长下降。C组在21天后也表现出更优的成骨分化。所有膜均能有效抑制成纤维细胞穿透其结构。
结论：总体而言，LA:GA为85:15的PLGA膜展现出GBR所需的关键特性，包括足够的强度、合适的降解行为和生物相容性。
一、研究背景与意义
近年来，牙种植体已成为缺失牙替换的金标准。然而，水平或垂直向的牙槽骨量不足可能影响种植体植入的成功率。引导骨再生（GBR）是一种广泛应用于促进种植位点或牙槽嵴形态不足区域骨生长的技术，其核心要素是屏障膜，通过阻止软组织浸润并为骨形成创造有利条件。目前使用的GBR膜分为不可吸收型（如膨胀聚四氟乙烯，e-PTFE）和可吸收型（主要为胶原基材料）。不可吸收膜常需二次手术取出，导致高发病率和感染风险增加；而胶原膜的主要缺点是易过早降解，尤其在未交联形式下，可能在骨完全再生前就丧失屏障功能。因此，研究关注转向可生物降解的合成聚合物，特别是聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA），其已获美国食品药品监督管理局（FDA）批准作为药物载体和治疗装置，具有优异的生物降解性和生物相容性。PLGA由乳酸（LA）和乙醇酸（GA）单体共聚而成，通过改变LA与GA的比例可调节其降解速率和力学强度。已有研究表明，PLGA（70:30）膜在体内外均展现出较优性能，但仍存在打印过程中丝材脆断、体内降解时膜溶胀影响软组织愈合等问题。因此，确定最佳LA:GA比例以最终确定产品线材料具有重要意义。
二、研究内容与结论
研究人员采用3D打印技术，以医用级PLGA为原料，分别制备了LA:GA比例为50:50、70:30和85:15的三组膜材料，并对其物理特性和生物相容性进行了系统的体外比较评估。研究结果显示，PLGA 85:15膜具有最优的综合性能：其力学强度最高，降解速率最慢且产生的酸性副产物最少，表面亲水性最佳，同时支持成骨细胞和成纤维细胞的持续增殖，并展现出更优的成骨分化能力。所有膜均能有效阻止成纤维细胞穿透。研究结论认为，PLGA 85:15膜具备GBR所需的关键特性，包括足够的强度、合适的降解行为和生物相容性，是膜生产的最佳原材料选择。
三、主要关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：利用3D打印机通过热熔气动点胶方式直接熔融挤出PLGA材料制备双层膜结构；采用扫描电子显微镜（SEM）和体视显微镜观察膜表面形态与孔径；使用X射线衍射仪（XRD）分析晶体结构；采用差示扫描量热法（DSC）评估热学性能；使用光学接触角分析仪测定表面润湿性；采用万能试验机进行拉伸和弯曲强度测试；通过浸泡于磷酸盐缓冲液（PBS）中监测pH变化、失重和溶胀率评估降解行为；使用PrestoBlue检测法、荧光素二乙酸酯（FDA）染色和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）评估细胞增殖与活力；通过碱性磷酸酶（ALP）检测和茜素红（AR）染色评估成骨分化；采用改良Transwell迁移实验评估膜的屏障功能。细胞实验使用小鼠成骨细胞系（MC3T3-E1）和小鼠成纤维细胞系（L929）。
四、研究结果
膜形态学：SEM图像显示膜具有明显不同的上下表面结构，骨侧表面粗糙不规则，平均孔径为82.34 ± 4.22 μm；组织侧表面较光滑，平均孔径为44.09 ± 2.49 μm。各组膜的整体形态特征相似。
结构分析：XRD图谱显示PLGA 85:15膜在2θ = 18.92°处出现明显特征峰，较PLGA 70:30（2θ = 17.75°）和PLGA 50:50（2θ = 16.97°）更强，表明LA含量越高，PLGA膜结晶度越高。DSC分析显示，PLGA 50:50的玻璃化转变温度（Tg）约为62.25 °C，PLGA 70:30约为58.58 °C，PLGA 85:15约为53.42 °C。PLGA 85:15组在约116.08 °C处出现独特的冷结晶放热峰，熔融转变温度（Tm）随LA含量增加而上移，PLGA 70:30为144.25 °C，PLGA 85:15为160.08 °C，而PLGA 50:50仅在113.58 °C处出现微小热事件。
表面润湿性：各组膜的水接触角分别为A组56.3°、B组55.4°和C组46.8°，所有膜均呈亲水性。PLGA 85:15膜的接触角显著低于其他组，表明其亲水性更强。
力学性能：PLGA 85:15膜表现出最大的拉伸强度（1.67 ± 0.09 MPa）和弯曲强度（41.28 ± 4.50 MPa），其中弯曲强度显著高于其他两组。PLGA 50:50和70:30组间无显著差异。
降解性能：pH监测显示，从第7天起，85:15组pH值持续显著高于其他组，表明其酸化程度较轻。90天降解实验中，50:50组从第30天起失重显著高于85:15组，三组平均失重率分别为69.50% ± 13.84%、47.08% ± 20.98%和39.16% ± 23.61%。
溶胀性能：70:30组膜表现出较高的溶胀水平，但各组间无显著差异。85:15组早期增加后趋于平缓，表明溶胀速度较慢或出现平台期。
细胞增殖：成纤维细胞和成骨细胞在所有膜组上第7天均显著增殖。至第14天，50:50和70:30组细胞增殖下降，而85:15组持续增长。SEM和CLSM图像证实两种细胞在所有膜表面附着均匀且随时间增殖。
成骨分化与矿化：ALP活性检测显示，85:15组ALP水平随时间持续升高，而50:50和70:30组在第14和21天下降。第21天时，50:50组ALP水平显著低于85:15组。AR染色显示85:15组染色均匀分布于膜表面，而其他组呈斑片状分布，表明85:15组钙沉积更多。
屏障功能：改良Transwell迁移实验显示，培养3天后，所有膜组均未观察到成纤维细胞穿透膜到达培养板底部，证实所有膜均能有效发挥屏障功能。
五、讨论与结论
讨论部分指出，3D打印技术能够精确定制GBR膜的关键特性，包括孔径、形状和均匀性。本研究改进了既往的膜制备工艺，将材料直接在打印机热熔气动腔室内熔融，避免了定制丝材制备中出现的质量不稳定和堵塞断裂问题。膜的双层结构设计使骨侧较大的连通孔利于成骨细胞浸润和血管化，而组织侧较平滑致密的纤维层可有效抑制成纤维细胞迁移。LA含量增加提高了PLGA的结晶度，增强了热稳定性、降低了降解速率并提高了力学强度。PLGA 85:15膜的降解速率较慢，90天失重约40%，适合需要长期膜完整性的GBR手术。其降解产生的酸性副产物较少，维持了更稳定的pH环境，有利于细胞存活和骨矿化。该膜的表面亲水性最佳，促进了细胞附着和增殖。成骨分化相关指标（ALP和AR）也显示85:15组具有更优的成骨传导性能。所有膜均有效阻止了成纤维细胞穿透。研究还指出，纯PLGA膜骨侧表面仍缺乏内在的骨诱导特性，未来研究将聚焦于将PLGA 85:15膜与羟基磷灰石（HA）和双相磷酸钙（BCP）等生物陶瓷结合，以增强其骨诱导性能并中和降解产生的酸性环境，同时需要进一步的体内研究验证其长期生物相容性和成骨性能。
研究结论：本研究结果表明，PLGA 85:15膜具有优异的力学强度、较低的降解速率和较少的酸性副产物产生。其表面特性支持成骨细胞增殖和分化，同时在体外条件下限制成纤维细胞迁移。这些发现表明，PLGA 85:15膜具有作为潜在GBR膜所需的良好理化、力学和生物学特性。然而，其骨传导能力和GBR效果仍需通过体内研究进一步验证。
