武汉大学周金平/杨宏业AFM： 基于天然蟹壳开发甲壳素双层膜用于引导骨再生

牙槽骨缺损的再生修复是口腔医学领域的关键临床难题，尤其是创伤、肿瘤或牙周病引发的临界骨缺损，严重影响种植体植入位置和长期骨整合效果。引导骨再生（GBR）是一种可用于水平或垂直骨增量的治疗技术，其中，屏障膜（又称GBR膜）是GBR技术的关键组成部分，可以将软组织和骨缺损区隔开。目前，临床常用的GBR膜主要分为不可吸收型（钛网）和可吸收型（胶原膜）两类，虽各有优势，但仍存在显著局限：钛网虽机械强度优异，却需复杂手术植入且需二次手术取出；胶原膜生物相容性良好，却因机械强度不足易导致骨缺损空间塌陷，且与骨再生速率的降解协同性欠佳。因此，开发高强度可降解高分子膜是新一代GBR膜的前沿设计理念。

甲壳素具有优异的生物相容性，是潜力巨大的生物医用材料。然而，目前基于bottom-up策略制备高强度甲壳素膜材料的工艺复杂、耗时冗长。武汉大学周金平/杨宏业团队另辟蹊径，受蟹壳天然层级结构与生物矿化特性启发，提出一种“师法自然”的top-down构建策略：直接取材蟹壳，通过简单的蛋白去除、表皮剥离及部分脱矿工艺，将蟹壳转化为甲壳素双层膜——PDM，实现机械支撑、屏障防护、成骨诱导与可控降解的多维协同。相关工作以题为 “Crab Cuticle-Derived Bilayer Membrane Orchestrates Spatiotemporal Maintenance and Osteogenic Activity for Guided Bone Regeneration” 的论文发表在Advanced Functional Materials上。该论文的共同第一作者为武汉大学王诗蕾博士和颜可馨硕士，通讯作者为武汉大学周金平教授和杨宏业主任医师。

蟹壳衍生甲壳素双层膜的设计思路如图1所示：首先揭示了蟹壳天然层级结构的核心优势——甲壳素构成的Bouligand螺旋层级结构与碳酸钙（含无定形碳酸钙与方解石）的复合体系，证实其兼具机械支撑与生物矿化潜力，与GBR膜的性能需求高度契合。随后通过碱性溶液去除蟹壳中的蛋白质，去除阻碍营养交换的外层蜡质表皮，获得由含矿物质的外膜与致密的内膜组成的天然双层结构；再经盐酸溶液部分脱矿处理，保留Bouligand结构与适量矿物质，最终构建出PDM。该策略突破传统GBR膜的制备思路，利用天然生物材料的固有层级结构与多功能协同特性，为引导骨再生材料的设计提供全新思路。

图1 蟹壳衍生双层膜的构建思路及其引导骨再生示意图

研究结果显示（图2-6），PDM具有天然的层级结构、卓越的机械性能与空间维持作用，同时具备屏障能力和成骨诱导活性。该策略不仅通过保留蟹壳固有Bouligand结构与天然的Janus结构，还借助部分脱矿处理促进ACC释放；构建了骨再生所需的“屏障-诱导”微环境，为干细胞黏附、分化及血管新生提供多维理化线索。基于体内外实验验证，PDM 能够高效促进骨修复过程：内膜通过致密结构阻挡成纤维细胞入侵，外膜持续释放ACC激活成骨相关基因（ALP、RUNX2等）表达，同时上调血管生成关键因子（VEGF、ANG等），实现了“物理屏障保护”与“生物活性诱导”两种功能的协同整合。该研究充分挖掘了天然生物材料的层级结构与功能潜力，为下一代引导骨再生膜材料的设计提供了“师法自然、功能协同”的全新思路。

图2 蟹壳衍生双层膜的表征

图3 蟹壳衍生双层膜的横截面表征和释放能力检测

图4 蟹壳衍生双层膜的机械性能检测

图5 蟹壳衍生双层膜的体外促成骨分化研究

图6 蟹壳衍生双层膜的体内促成骨分化研究