牙周病是由菌斑微生物引起的牙周组织慢性感染性疾病，全球范围发病率高，是成人牙齿丧失的首位原因。牙周组织为包括牙龈、牙槽骨、牙骨质和牙周膜的复杂三维结构，牙周炎症会引起牙周组织的破坏。牙周病治疗的理想效果在于实现牙周组织的再生，从而恢复其原有的形态和功能。
牙周组织再生的难点在于再生效果受到多种因素的影响，如目前临床常用的引导性组织再生术（guided tissue regeneration，GTR）联合植骨术治疗中，植骨材料的固位、屏障膜的稳定和可降解性、感染的控制以及血供的来源等都可能成为手术成功的限制因素。
目前三维打印的发展有望弥补传统治疗的缺点。以三维打印个性化支架为载体，结合干细胞或生物活性因子，来实现牙骨质-牙周膜-牙槽骨复合体的再生，并诱导形成有序排列、有生理功能的牙周膜纤维，为牙周组织再生提供了新思路；另有学者利用三维打印技术精准化、个性化的优势将不同的生物材料进行组合，并通过控制材料的配比、调整产物的内外部结构设计功能性复合屏障膜，以解决传统可降解屏障膜机械强度弱、空间维持时间不足和成骨诱导活性不佳的缺点，期望改善牙周组织再生的效果。
目前，三维打印在口腔颌面外科、修复、种植等领域应用较多，在牙周领域的应用相对较少。本文将从三维打印牙周组织再生支架和屏障膜两方面对三维打印在牙周组织再生领域的应用研究做一综述，旨在加快其向牙周临床方面的转化和应用。
1.三维打印技术概述
三维打印技术又称增材制造技术，是一种以数字模型文件为基础，将材料逐层打印堆积来生成目标产物的快速成型技术，其具有可同时加工多个或批量生产个性化产物的特点。三维打印技术相比传统的减材制造（或称切削技术）具有一定的优势：①可控制目标产物的内部结构；②通过整体打印代替部件组装来提高产物的精度；③减少材料浪费，控制成本；④电子传输数据，实现轻松共享和无限期存储，节省物理空间和生产时间。
牙周病造成的牙周组织缺损通常形态复杂，在GTR联合植骨术中使用传统工艺制作的植入物（如屏障膜或植骨材料）需要术中先对缺损组织进行数据测量，再对植入物进行修整或塑形使之与缺损形态相适应，手术操作难度较大；而三维打印技术可在术前通过影像学检查获取数据，通过数据对植入物进行个性化设计制作，术中直接使用，起到简化手术流程、节约手术时间、降低术中感染风险的作用，有利于获得较为理想的手术效果。
2.牙周组织再生领域常用的三维打印技术和生物材料
三维打印技术和生物材料是影响研究结果和技术应用的关键因素，以下将对牙周组织再生领域的三维打印技术和生物材料进行具体介绍。
2.1 牙周组织再生领域常用的三维打印技术
三维打印技术因打印原理、分类、材料及临床目标不同而种类繁多。熔融沉积成形（fusion deposition modeling，FDM）是最早应用的三维打印技术，是一种将热塑性的材料加热熔融后逐层堆积出目标产物的技术。FDM技术操作简单、设备体积小，对于设计结构较复杂的目标产物，其存在打印时间长、色彩选择受限、打印精准度低的缺点。
静电纺丝（electrospinning，ES）是一种利用电力牵引带电聚合物以形成纤维的技术，这种技术可控制产物的孔径、孔隙率、纤维厚度以及内部和外部几何形状，可将药物和生长因子添加到纤维中以赋予特定的治疗特性。ES是制备纳米纤维基质的一种简单有效的方法，其具有高表面积和孔隙率，有利于细胞附着、迁移和增殖。在牙周组织再生支架与复合屏障膜的制造过程中通常将两种技术相结合，先利用FDM技术形成框架结构，再使用ES技术进行界面或内部修饰。
2.2 牙周组织再生领域常用的生物材料
再生领域理想的生物材料应具备以下特性：好的生物相容性，合适的机械性能、可降解性及孔隙率等。而应用于牙周组织再生领域的材料还需能促进细胞在其表面的黏附、增殖和分化等生物学行为的发生。
聚己内酯（PCL）因具有良好的生物相容性和机械稳定性，以及可与其他聚合物混溶的特性，在牙周组织再生支架及屏障膜制备中应用较为广泛。但其有降解速率低和细胞黏附力低的缺点，因此通常将PCL与其他材料联合应用以增强优势，如将羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAp）与PCL复合可增强其生物活性，提高降解速率，使之具有与天然骨相似的无机复合物的特性和骨引导性；与天然聚合物（如明胶）复合以促进细胞的黏附、生长和分化，常用于制备复合屏障膜。
生物陶瓷与骨的无机成分相似，在支架表面使用具有骨诱导活性的金属镁、锶制备涂层，可表现出更好的成骨潜能与力学性能。上述每种材料都有显著的特点和各自的局限性，因此融合多种生物材料来产生协同效应，改善目标产物的性能是未来的发展趋势。
3.三维打印在牙周组织再生支架方面的应用
牙周组织再生的理想状态是实现牙骨质-牙周膜-牙槽骨复合体的再生，但多数研究结果显示，传统治疗仅有牙槽骨的再生，而使用三维打印个性化支架，不仅可实现复合体的再生，而且可产生有序排列的牙周膜纤维结构。牙周组织再生支架的分类及功能特性都是影响再生效果的关键因素，下面将依次介绍。
3.1 牙周组织再生相关的支架种类及发展
牙周组织再生支架可进行分区设计，常见的分区有牙骨质、牙周膜和牙槽骨区。根据支架的分区数目又将支架分为单相支架、双相支架及三相支架，后两者统称为多相支架。随着研究的不断深入，学者们对支架的研发由单相向多相过渡，并进行了结构上的改进和功能上的优化。单相支架只有一个分区。
2016年Cho等设计了一款PCL单相支架，并在支架中加入促进成骨的活性因子，将其植入去除牙骨质的牙根的牙本质表面，体外培养6周后发现牙本质表面形成了新的牙骨质，但生长因子的延迟释放会持续诱导牙骨质的生成，可能会影响牙周膜纤维在牙根表面的长入，这提示设置多个分区制备多相支架的必要性。
2010年Park等首次设计了具有牙槽骨区和牙周膜区的双相支架，但因连接界面缺乏孔隙而未观察到新生组织在各个分区中的整合。随后2012年Vaquette等通过设计多孔界面并联合使用ES技术制备的同心叠加环对牙周膜纤维细胞进行引导，使双相支架在一定程度上促进了牙槽骨和牙周膜的再生。GTR的关键是先实现牙骨质沿牙根表面的沉积，从而引导牙周膜纤维插入以达到功能性的附着。
2014年Lee等打印了一体化支架，通过调节不同分区的形状、孔径和孔隙率形成了高度分隔的三相支架；实验观察到牙骨质区内有不连续的牙骨质形成，骨区成骨显著，牙周纤维插入在牙骨质和牙槽骨之间。2019年Park设计了模拟牙骨质-牙周膜-牙槽骨复合体的三相支架，对牙骨质区进行模拟天然牙根表面的根形设计旨在促进牙骨质生成，在牙周膜区设置微槽来调控牙周膜细胞的排列，提高了牙周组织再生的可控性和可预测性。
3.2 牙周组织再生支架的功能特性
生物活性支架应在生物学活性、机械强度和降解速率方面模拟细胞外基质的特性。此外，支架的结构和形态、孔隙率、层构型等也是影响再生效果的关键因素。而牙周组织再生支架更为重要的功能是引导形成有序排列的牙周膜纤维结构，如何利用微结构来引导细胞的排列，从而控制纤维的方向来加强再生效果的可预测性为近期研究的热点。因此，2010—2022年学者们做了一系列探索。
2010年Park等首次在双相支架中观察到了无定形的牙周膜纤维结构。随后学者们通过对支架设置微通道和使用ES技术引导产生了定向的牙周膜纤维，但在微观上缺乏一致性和规律性。2016年Pilipchuk等通过在支架的表面设置不同深度和宽度的微槽来加强对牙周膜纤维的方向控制，结果显示，牙周膜纤维在微槽的引导下有序排列，且纤维束较粗大；首次证明支架表面结构对牙周膜纤维的潜在影响，并确认微槽深度是影响组织对齐的重要因素，但支架微结构对诱导细胞形态和调节细胞行为的影响机制尚不明确。
2017年Park等开发了3种具有微槽间隔的不同角度的3D 支架来调节细胞的排列，实现了超过70%的细胞对齐；实验结果表明，微槽的角度也是影响牙周膜纤维细胞排列的因素，同时也证实三维打印技术可以高度可控和以可重复的方式调控支架的微观结构从而引导再生。
近两年学者们继续深入研究，开始对牙周膜纤维进行应力测试，设计组织特异性区域的三相支架并模拟了牙周微环境，研发具有抗菌作用的支架，为复杂牙周组织缺损的再生开阔了思路。
3.3 牙周组织再生支架的临床应用
目前三维打印牙周组织再生支架研究多处于体外培养和动物实验阶段，临床应用较少。2015 年Rasperini等首次在GTR 术中使用了三维打印的PCL 支架，13个月后因软组织开裂、支架暴露被取出；分析认为打印技术精度不足及支架材料降解率低是导致失败的主要原因。2016年Baba等将间充质干细胞、富血小板血浆与三维打印支架相结合用于牙周组织再生，术后1 年，临床附着增加2.68 mm，探诊深度减少2.48 mm，垂直骨增量增加4.40 mm，获得了相对稳定的疗效。
这种干细胞结合支架的治疗方法为牙周组织再生带来新希望。但此研究样本量较小，需要进行多中心的随机对照试验来进一步验证此治疗方法的有效性和安全性。因此，优化打印工艺，开发生物相容性更好的材料，并通过调整支架的内部结构和外部形态来模拟再生组织，构建有利于牙周再生的微环境是提高其临床应用效果的必要条件。
4.三维打印在牙周组织再生屏障膜方面的应用
用于牙周组织再生的屏障膜，除了具备再生生物材料的特性外，还要具有较好的机械强度和屏障作用，以维持组织再生的空间。传统工艺较难控制制备参数和精度，因此，膜的孔结构（包括孔隙率、互连性、分布和尺寸）通常是不对称或无序的，生产的传统膜通常具有光滑的表面形态而不利于细胞的黏附。
而三维打印技术可精准控制参数以实现屏障膜所需的复杂结构来发挥其功能特性，三维打印屏障膜通常为复合膜，即由多种材料复合而成。复合屏障膜的优势主要体现在可以精准设计微观结构和对不同的材料进行配比并复合，根据屏障膜有无分层界面可分为单层膜和双层膜，目前相关研究为体外与动物实验，尚无临床应用。
最常见的复合屏障膜为脂族聚酯（PCL、PLA）与磷酸钙生物陶瓷（HAp、TCP）的组合，其空间维持与成骨效果较佳；改善其抗菌性能的主要方式是在复合膜的软组织面加入抗生素；通过控制双层复合膜的孔径大小以引导不同细胞的聚集和分化，来分离上皮组织和结缔组织细胞，可实现良好的屏障作用。如何提高打印技术的分辨率，对屏障膜的微结构进行多样化设计，构建多组分材料复合膜以及优化材料配比来提高屏障膜的应用性能是未来的发展方向。
5.总结与展望
虽然三维打印支架在牙周组织再生方面的应用研究获得了一定的进展，如支架由单相向多相的过渡可引导牙骨质-牙周膜-牙槽骨复合体的生成，功能方面也实现了牙周膜纤维从无序到有序的排列，但这些研究缺乏长期疗效追踪及临床研究。
口腔是一个微生态炎性环境，牙周组织容易受到微生物菌群、局部刺激因素和全身危险因素的影响，因此将体外和动物体内模型转化为人体临床模型尚存在一定的困难；此外，如何形成稳定的多相支架的多孔界面以便于物质交换、实现细胞交流传递和新生血管的形成仍面临技术上的挑战；如何集中多种材料的优势，将支架的力学性能、生物相容性和降解时间进行平衡来获得最佳的再生效果也需进一步探索。
三维打印屏障膜目前尚处于初步探索阶段，研发满足临床需求的个性化、功能化的产品尚需更多研究和长期疗效追踪。三维打印仍有较大的发展空间，材料和技术的更新以及机制的深入研究将为其提供动力。
