《Biomimetics》：3D-Bioprinted Multifunctional Nanocomposite Scaffolds for Alveolar Bone–Periodontal Ligament–Root Cementum Regeneration: A Narrative Review
牙周病仍然是全球牙齿缺失的主要原因之一，凸显了牙槽骨（alveolar bone，AB）、牙周膜（periodontal ligament，PDL）和牙骨质（cementum，CM）有效再生的必要性。由于这些组织具有结构复杂性及独特的生物学行为，其临床再生策略长期面临重大挑战。当前主要治疗方法为引导骨再生，但其存在一定局限性，如并发症发生率、结构完整性不足及尺寸稳定性较差。近年来，三维（3-dimensional，3D）生物打印的发展使得构建具有精确结构与空间组织、并可高度模拟正常牙周结构的定制化支架成为可能。多功能纳米复合生物材料及纳米颗粒的引入，进一步通过提高机械强度、生物活性并调控降解速率而增强支架性能。这些先进支架可作为动态微环境，支持细胞黏附、增殖与分化，最终促进组织再生。此外，其多功能特性还可实现生长因子、抗炎及抗菌制剂的可控释放，并整合干细胞与促进血管生成的生物活性分子。本综述考察并批判性评估了基于支架、生物材料及3D生物打印技术的现代牙周组织再生策略，并评价其相较于既有临床实践的有效性。
1. Introduction
正文首先界定了牙周组织（periodontium）的组成，包括牙槽骨（alveolar bone，AB）、牙周膜（periodontal ligament，PDL）、牙骨质（cementum，CM）和牙龈，并指出其协同作用对于牙齿稳定与咀嚼功能维持至关重要。牙周炎由微生物生物膜积聚诱发慢性炎症，进而导致牙周支持组织进行性破坏，是全球牙齿缺失的重要病因。牙周再生的核心目标在于重建受损的牙支持结构，实现新生AB、CM以及取向正确的PDL纤维形成，从而同时恢复组织结构与功能完整性。文中进一步强调，牙周再生的意义不仅限于保牙，还涉及咀嚼、发音、美观及生活质量维持，并与心血管疾病、类风湿关节炎、代谢综合征、慢性肾病和糖尿病等全身性炎症相关疾病存在关联。
随后，作者分析了传统治疗的局限。由于血管化受损、细胞龛位破坏及缺乏协调的信号环境，牙周受损组织的内源性再生能力有限。洁治和根面平整虽然可降低细菌负荷与炎症，但通常不能重建复杂牙周结构，尤其在大范围病损中更是如此。此类治疗往往形成长结合上皮，而非真正意义上的牙周再生。当前，引导组织再生（guided tissue regeneration，GTR）被认为是涉及AB、PDL和CM缺损治疗的金标准。其基本原则包括创口稳定、再生空间维持、适宜细胞募集及细胞分化诱导。尽管GTR具有明确的临床与生物学价值，但其疗效仍受缺损形态、患者因素、手术技术及材料影响，存在较强变异性，同时还可能受到口腔细菌定植、根面无血管环境、根吸收及骨性粘连等因素干扰。
在此基础上，文章指出，牙周组织由结构和功能均不同但高度互联的组织组成，因此完全且功能性的再生仍极具挑战。传统策略通常聚焦单一组织修复，难以恢复天然牙附着及机械稳定所依赖的生物学界面。随着生物材料、纳米技术与组织工程（tissue engineering，TE）进展，多功能生物打印支架被视为更具潜力的替代方案。这类支架能够在单一构建体中整合组织特异性结构、可控生物活性因子递送以及空间引导式再生。作者特别强调，本综述不同于将牙周再生、生物材料或3D生物打印分别讨论的既有文献，而是聚焦于面向整个牙周复合体协同再生的多功能纳米复合支架。
2. Materials and Methods
本部分说明了叙事性综述的文献检索策略。研究人员在PubMed、ScienceDirect和Google Scholar数据库中，使用“nanotechnology”“nanomaterials”“3D scaffolds”“3D bioprinting technologies”“tissue engineering”“periodontal regeneration”以及“alveolar bone-periodontal ligament-cementum regeneration”等关键词单独及组合检索。纳入2014年后发表的英文文献，并依据题目和摘要进行两轮筛选，同时辅以已选文献参考文献的手工补充检索。该方法部分主要表明综述的资料来源与筛选逻辑。
3. Three-Dimensional Bioprinting Technologies in Tissue Regeneration
作者首先概述3D打印的基本概念，即基于计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）模型进行逐层制造，也称增材制造（additive manufacturing，AM）或快速原型制造。其在生命科学领域的延伸即3D生物打印，利用含细胞、生物聚合物和水凝胶的“生物墨水（bioinks）”构建组织样结构。文中指出，生物打印的核心原则包括仿生（biomimicry）、自组装（self-assembly）和微组织构件策略，这些原则共同服务于微结构复制、细胞自主组织及功能组织形成。作者强调，成功组织再生要求机械稳定性与生物活性之间达到平衡。
3.1. Types of 3D Bioprinting
本节对四类主要3D生物打印方式进行归纳：槽式光聚合/立体光刻（stereolithography，SLA）、液滴式生物打印、挤出生物打印和激光辅助生物打印（laser-based bioprinting，LBB）。不同技术在分辨率、细胞相容性、可处理材料黏度及构建复杂度方面各有优势与局限。
3.1.1. Vat Polymerization/Stereolithography
SLA作为最早商业化的3D打印技术，通过激光逐层固化光敏树脂构建结构，后续又发展出数字光处理（digital light processing，DLP）、连续DLP和双光子聚合（two-photon polymerization，2PP）等变体。其优点包括高分辨率、较快成形速度及无喷嘴堵塞风险，可用于PEG、聚己内酯（polycaprolactone，PCL）及复合材料、陶瓷、钛等加工。然而，适用于活细胞生物打印的生物相容性光敏聚合物种类有限，因此其在活细胞打印中的应用仍受约束。
3.1.2. Droplet-Based Bioprinting
液滴式生物打印起源于“细胞描记”概念，主要包括电流体动力喷射（electrohydrodynamic，EHD）和喷墨生物打印。其中特别常用的是按需喷射（drop-on-demand，DOD）模式，能够实现较精确的液滴位置控制，并维持较高细胞存活率。该技术适用于骨、软骨和皮肤等组织打印，但需要低黏度生物墨水以避免喷嘴堵塞，因而在材料选择方面存在限制。
3.1.3. Extrusion Bioprinting
挤出生物打印是当前应用最广泛的方式，具有成本低、易操作、可靠性高等优点，可利用气动或机械驱动使生物材料通过喷头连续挤出，逐层构建复杂支架。其对高黏度材料兼容性较好，尤其适合牙周组织工程中硬、软组织共同再生需求，并可整合多种细胞类型。文中还提到冷冻生物打印（cryobioprinting）作为新近变体，通过低温打印和受控冻结改善支架稳定性与细胞存活。
3.1.4. Laser-Based Bioprinting (LBB)
LBB基于激光诱导前向转移（laser-induced forward transfer，LIFT）原理，可在无喷嘴、无接触条件下高精度沉积高细胞密度生物材料，降低堵塞风险并支持高黏度体系。其优点在于分辨率高、细胞空间定位精确，但也面临激光潜在细胞损伤、金属残留、大体积制造速度有限和实验室向临床转化困难等问题。
3.2. Types of Bioinks
本节指出生物墨水可分为无支架型和有支架型两大类，后者通常由细胞与去细胞外基质（decellularized extracellular matrix，dECM）、水凝胶、微载体等组成。理想生物墨水应兼具可打印性、沉积后形状保持能力、交联过程中的细胞相容性以及良好的营养物质传输性能。
3.2.1. Natural Bioinks
天然生物墨水包括明胶、胶原、海藻酸盐、透明质酸、纤维素、壳聚糖、几丁质和dECM等，能够较好模拟细胞外基质（extracellular matrix，ECM）微环境，并常含有RGD序列以促进细胞黏附。这类材料具有良好生物活性、生物相容性和可控降解性，但力学性能不足，因此常需与合成材料复合或增强。
3.2.2. Synthetic Bioinks
合成生物墨水主要包括合成聚合物、生物陶瓷和金属。合成聚合物如PCL、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚乙醇酸（polyglycolic acid，PGA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly(lactic-co-glycolic) acid，PLGA）及聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）具有良好机械性能和可加工性，但生物活性较低。生物陶瓷如羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、β-磷酸三钙（β-tricalcium phosphate，β-TCP）和生物活性玻璃（bioactive glass，BG）具有成骨传导性和良好相容性，但脆性较高。金属材料如钛（Ti）和镁（Mg）及其合金则提供较高机械强度。作者指出，为克服单一生物墨水在力学或生物学功能上的不足，纳米材料的引入已成为提升牙周再生性能的重要方向。
4. Nanocomposite Biomaterials on Scaffolds for Periodontal Regeneration
本章围绕纳米复合生物材料在牙周支架中的应用展开。作者将纳米复合材料定义为至少一个相处于1–100 nm尺度的多相材料，并指出纳米结构在其中充当增强组分。通过多材料复合可形成“协同效应”，改善机械、动力学及生物学性能。聚合物基纳米复合材料（polymer matrix nanocomposites，PMNC）因成本低、加工方便、柔韧且耐用而最为常见。
4.2. Role of Nanomaterials in Scaffold Enhancement
作者系统阐述纳米材料增强支架的机制。由于比表面积增大和细胞相互作用增强，纳米材料与其块体材料相比具有不同的理化与生物学特性。纳米颗粒可释放离子或活性分子以激活信号通路，促进细胞行为调控，同时具备抗菌、促再生等作用。纳米尺度表面和孔隙结构更接近天然ECM，可改善蛋白吸附和细胞黏附。银纳米颗粒具有显著抗菌和抗炎效应，氧化锌（ZnO）纳米颗粒兼具抑制生物膜和促进成骨作用。作者还强调纳米颗粒分布均匀性、浓度及其与基体界面的相互作用对力学性能、药物控释和生物相容性至关重要。
4.3. Nanomaterials Used in Periodontal Regeneration Scaffolds
在AB再生方面，HA、磷酸钙、β-TCP、BG、Laponite及碳纳米管等材料被用于增强成骨性、血管生成及机械性能。PLGA和PCL常作为载体实现抗生素或生长因子的可控释放。文中还列举了Ag、金纳米颗粒（AuNPs）、CeO
2纳米颗粒、FeHA磁性颗粒及介孔二氧化硅等在成骨和血管生成中的应用潜力。
在PDL再生方面，重点在于重建其纳米纤维化和定向排列结构。I型胶原纳米纤维支架、GelMA水凝胶、静电纺丝与生物打印结合形成的定向纤维、具有微沟槽或波浪形结构的支架均可促进牙周膜干细胞（PDLSCs）排列、迁移及分化。
在CM再生方面，作者认为这是最具挑战的环节之一。nanoHA、纳米磷酸钙和具有纳米结构表面的材料可改善局部微环境并激活Wnt/β-catenin等信号通路。FeHA/纤维素醋酸酯支架在理化性质上接近天然无细胞外源纤维牙骨质。CEMP1、CGF和CAP等牙骨质相关蛋白以及干细胞的整合，有助于形成具有牙骨质特征的ECM，但完全功能性再生仍缺乏充分体内证据。
5. Multifunctional Bioprinted Nanocomposite Scaffolds
本章集中讨论多功能生物打印纳米复合支架的设计原则与应用价值。作者指出，多层支架需符合牙周组织分层等级结构，在不同区域实现孔径、通透性、力学特性和降解速率的精细调控。大孔有利于血管长入，小孔则有助于提高细胞密度；PDL区域则需模拟其各向异性弹性和黏弹性缓冲特征。材料方面，支架应具备可降解性、生物相容性及与新生组织形成速率相匹配的降解行为。
5.2. Patient-Specific Multifunctional Design
借助计算机断层扫描和CAD设计，个体化支架可准确匹配缺损几何形态。作者强调，快速原型技术特别适合牙周应用，因为其内部结构可控且重复性较高。多功能性不仅体现在结构分区和生物因子控释，还延伸至基因治疗、血管化和神经化支持。文中提到，基因递送可增强PDGF等因子的内源性表达；血管通道构建和神经再生策略虽已取得进展，但稳定毛细血管网络与功能性神经支配的形成仍是重大难点。
5.3. Multiphase Bioprinting and Layered Regeneration
作者认为，牙周复合体天然呈层状结构，因此分层细胞和材料构建策略更符合组织仿生需求。多相支架可分别负载适合CM、PDL和AB再生的材料、细胞及生物因子，实现时空可控再生。文中列举的大型动物实验和三相PCL/HA支架研究显示，层状设计结合重组人釉原蛋白、结缔组织生长因子（connective tissue growth factor，CTGF）和骨形态发生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP-2）等，可在体内外诱导形成类似天然结构的矿化组织和PDL胶原纤维。另有无细胞三层纳米结构支架，通过整合CEMP1、富血小板血浆（platelet-rich plasma，PRP）和成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF-2），也可募集宿主细胞并促进再生。整体而言，多相支架是当前最有前景的牙周组织工程策略之一，但其临床转化仍受血管化、制造一致性和长期验证不足限制。
5.4. Toxicity and Safety
作者专门讨论了纳米材料潜在毒性。纳米颗粒进入体内后可与血液和器官发生复杂相互作用，诱发血液学毒性、免疫和内分泌异常。其主要毒性机制与活性氧（reactive oxygen species，ROS）过量生成导致的DNA、脂质和蛋白损伤相关。粒径、形状、材料类别及降解产物均影响其生物分布和毒性。尽管可降解材料可能降低风险，但长期安全性、慢性毒性和体内归趋仍需系统评估。作者强调，标准化安全评价体系和长期临床研究是实现临床转化的必要前提。
6. Current Challenges in Clinical Translation
本节总结了临床转化障碍，包括牙周复杂微结构与多层级机械性能的精确再现、微纳尺度架构调控困难、细胞对生化与力学刺激响应的协同调控不足、支架降解速率控制困难以及厚层支架血管化不足等问题。CM再生尤其困难，而生长因子应用又常需超生理剂量，增加成本与并发症风险。与此同时，多相支架制造成本高、耗时长、重复性受限，细胞在打印前后存活性也需保障。再加之伦理与监管框架尚不完善，目前多数证据仍来自体外和动物研究，人体临床研究相对有限。尽管与GTR相比，多功能生物打印纳米复合支架在空间分区、可控递送和个体化设计方面具有潜在优势，但其长期安全性、可重复性和临床疗效尚待进一步确证。
7. Emerging Trends and Future Directions
作者指出，4D生物打印和智能支架是未来重要发展方向。4D生物打印通过引入时间维度，使支架能够对温度、pH值或湿度等刺激作出动态响应。形状记忆聚合物（shape memory polymers，SMPs）因可自动适应缺损而受到关注。人工智能（artificial intelligence，AI）与机器学习可用于优化支架设计、材料选择和打印参数，提高打印质量并推动个体化治疗。器官芯片（organ-on-a-chip）则被视为连接体外与体内研究的重要平台，可在动态流动和力学负载条件下模拟牙周复杂界面，用于病理生理研究和再生策略测试。尽管这些新兴技术潜力显著，但在牙周学中的应用仍处于发展阶段，尚需更复杂的多细胞模型与标准化转化路径支持。
8. Conclusions
结论部分认为，3D支架技术正在推动AB、PDL和CM同步再生的发展，并为患者特异性构建提供了可能。纳米复合生物材料和生物墨水的强化对3D生物打印成败具有决定性作用，其可改善机械性能、赋予刺激响应性并支持药物递送、表面定制和生物黏附。整合纳米颗粒、生物活性因子及适宜细胞的多相支架，已在临床前研究中显示出协调再生整个牙周单元的前景。然而，目前大多数系统仍停留在临床前阶段，尚未形成能够可预测性再生完整AB-PDL-CM复合体的成熟临床平台。制造可重复性、长期生物安全性、监管审批和规模化成本等问题，仍是其常规临床应用前必须突破的关键障碍。
