武漢大學周金平/楊宏業AFM：??基于天然蟹殼開發甲殼素雙層膜用于引導骨再生

牙槽骨缺損的再生修復是口腔醫學領域的關鍵臨床難題，尤其是創傷、腫瘤或牙周病引發的臨界骨缺損，嚴重影響種植體植入位置和長期骨整合效果。引導骨再生（GBR）是一種可用于水平或垂直骨增量的治療技術，其中，屏障膜（又稱GBR膜）是GBR技術的關鍵組成部分，可以將軟組織和骨缺損區隔開。目前，臨床常用的GBR膜主要分為不可吸收型（鈦網）和可吸收型（膠原膜）兩類，雖各有優勢，但仍存在顯著局限：鈦網雖機械強度優異，卻需復雜手術植入且需二次手術取出；膠原膜生物相容性良好，卻因機械強度不足易導致骨缺損空間塌陷，且與骨再生速率的降解協同性欠佳。因此，開發高強度可降解高分子膜是新一代GBR膜的前沿設計理念。

甲殼素具有優異的生物相容性，是潛力巨大的生物醫用材料。然而，目前基于bottom-up策略制備高強度甲殼素膜材料的工藝復雜、耗時冗長。武漢大學周金平/楊宏業團隊另辟蹊徑，受蟹殼天然層級結構與生物礦化特性啟發，提出一種“師法自然”的top-down構建策略：直接取材蟹殼，通過簡單的蛋白去除、表皮剝離及部分脫礦工藝，將蟹殼轉化為甲殼素雙層膜——PDM，實現機械支撐、屏障防護、成骨誘導與可控降解的多維協同。相關工作以題為 “Crab Cuticle-Derived Bilayer Membrane Orchestrates Spatiotemporal Maintenance and Osteogenic Activity for Guided Bone Regeneration” 的論文發表在Advanced Functional Materials上。該論文的共同第一作者為武漢大學王詩蕾博士和顏可馨碩士，通訊作者為武漢大學周金平教授和楊宏業主任醫師。

蟹殼衍生甲殼素雙層膜的設計思路如圖1所示：首先揭示了蟹殼天然層級結構的核心優勢——甲殼素構成的Bouligand螺旋層級結構與碳酸鈣（含無定形碳酸鈣與方解石）的復合體系，證實其兼具機械支撐與生物礦化潛力，與GBR膜的性能需求高度契合。隨后通過堿性溶液去除蟹殼中的蛋白質，去除阻礙營養交換的外層蠟質表皮，獲得由含礦物質的外膜與致密的內膜組成的天然雙層結構；再經鹽酸溶液部分脫礦處理，保留Bouligand結構與適量礦物質，最終構建出PDM。該策略突破傳統GBR膜的制備思路，利用天然生物材料的固有層級結構與多功能協同特性，為引導骨再生材料的設計提供全新思路。

圖1 蟹殼衍生雙層膜的構建思路及其引導骨再生示意圖

研究結果顯示（圖2-6），PDM具有天然的層級結構、卓越的機械性能與空間維持作用，同時具備屏障能力和成骨誘導活性。該策略不僅通過保留蟹殼固有Bouligand結構與天然的Janus結構，還借助部分脫礦處理促進ACC釋放；構建了骨再生所需的“屏障-誘導”微環境，為干細胞黏附、分化及血管新生提供多維理化線索。基于體內外實驗驗證，PDM 能夠高效促進骨修復過程：內膜通過致密結構阻擋成纖維細胞入侵，外膜持續釋放ACC激活成骨相關基因（ALP、RUNX2等）表達，同時上調血管生成關鍵因子（VEGF、ANG等），實現了“物理屏障保護”與“生物活性誘導”兩種功能的協同整合。該研究充分挖掘了天然生物材料的層級結構與功能潛力，為下一代引導骨再生膜材料的設計提供了“師法自然、功能協同”的全新思路。

圖2 蟹殼衍生雙層膜的表征

圖3 蟹殼衍生雙層膜的橫截面表征和釋放能力檢測

圖4 蟹殼衍生雙層膜的機械性能檢測

圖5 蟹殼衍生雙層膜的體外促成骨分化研究

圖6 蟹殼衍生雙層膜的體內促成骨分化研究

作者簡介

王詩蕾（第一作者）

武漢大學化學與分子科學學院博士，現就職于湖北中醫藥大學，主要從事天然高分子生物材料的研究。

顏可馨（第一作者）

武漢大學口腔醫學院碩士研究生，主要從事引導骨再生膜的仿生設計及其修復機制研究。

周金平（通訊作者）

武漢大學化學與分子科學學院教授、博士生導師。現任武漢大學化學與分子科學學院副院長。入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”、武漢市“黃鶴英才”。主要從事天然高分子功能材料的研究，發表SCI論文170多篇，他引近10000次，參編專著8部。曾獲國家自然科學二等獎、湖北省技術發明二等獎、教育部自然科學二等獎。

楊宏業（通訊作者）

武漢大學口腔醫學院主任醫師、博士生導師。入選“湖北省青年拔尖人才”、“武漢英才”。主要從事口頜硬組織仿生修復的科研工作和口腔種植修復的臨床工作，在Adv Mater, Adv Funct Mater, ACS nano, J Dent Res等國際權威期刊發表SCI論文40余篇，H因子30。榮獲國際牙科協會IADR William J. Gies Awards，湖北省青年教師教學競賽一等獎、省科技進步二等獎等榮譽。主譯口腔臨床專著3部，參編教材3部。

S. Wang, K. Yan, X. Liu, et al. “ Crab Cuticle-Derived Bilayer Membrane Orchestrates Spatiotemporal Maintenance and Osteogenic Activity for Guided Bone Regeneration.” Adv. Funct. Mater. (2025): e23211.

https://doi.org/10.1002/adfm.202523211