鼓膜功能性修复新进展AHM：石墨烯基薄膜嫁接穿孔鼓膜恢复宽频听力

鼓膜穿孔是最常见的致聋病因之一。据WHO统计，全球慢性中耳炎伴鼓膜穿孔患者高达3.3亿¹。采用自体组织如颞肌筋膜,软骨等进行外科鼓膜嫁接修复是临床经典治疗方案。然而患者术后听力恢复主要集中在4kHz及以下频率，而4kHz以上频率修复困难²。高频听觉对人类噪声环境下声音定位、语音感知以及音乐鉴赏等方面具有重要价值。如何实现鼓膜穿孔后的宽频听觉功能修复是近年来中耳研究的重要方向。

鼓膜是中耳声音传导的一级结构，它将空气中的声波转变为机械振动传递至中耳。声波刺激鼓膜引起振动具有频率依赖特性。低频时，鼓膜表现为与声波协调一致的整体振动，声音传递效能高。在高频时，鼓膜振动变得细碎复杂³，此时鼓膜的传导效能主要取决于其特定排列的三层显微结构（上皮层,纤维层及内皮层）以及区域差异化的纤维成分及厚度，这些因素促使鼓膜将不协调的共振聚集于锤骨柄从而实现高频声波的高效输出^4-5。鼓膜的宽频声波转导功能是人耳宽频听力的基础。然而，鼓膜精细的显微结构及组成复原至今难以实现，亟需探索新的声学修复策略。

近期，上海交通大学医学院附属第六人民医院耳鼻咽喉头颈外科殷善开教授课题组联合墨尔本李丹教授课题组提出了一种优化穿孔鼓膜声音传递功能的新方法。通过设计特殊声学机械性能及生物学特性的合成超薄补片植入大鼠鼓膜，从而加强鼓膜高频传导效能，实现宽频听觉恢复。研究成果发表于Advanced Healthcare Materials，并受邀为期刊封面。

课题组首先建立了人类中耳有限元模型（FEM），并利用FEM揭示了决定鼓膜高频声学传导的四个主要机械因素：超薄、超轻、高模量及高可弯曲性，据此筛选出具有优越声学特性的低密度氧化石墨烯作为鼓膜修复材料，制备了由平行堆叠化学转化石墨烯纳米片组成的多层石墨烯薄膜（MGM）。通过调节MGM含水量及纳米片体积可获得100 nm至100 μm超薄厚度、1.47±0.16（法向）和 19.8±2.9 GPa（切向）超高杨氏模量及~2.3 ×10⁻⁷ N m低抗弯刚度的鼓膜补片，振动检测发现MGM补片具有同鼓膜类似的宽频振动响应。FEM模拟显示MGM补片修复后鼓膜穿孔区域具有更完整的高频振型及更高的高频振动幅度。将MGM（5、10、30 μm）即刻贴附到大鼠鼓膜穿孔鼓膜穿孔区域后发现，MGM的厚度越低，动物的听力恢复越好，5 μm厚度的MGM可有效恢复大鼠1-32kHz 区域的听力。

MGM机械特性及其对鼓膜声学传导功能的影响

随后，课题组进一步探究MGM是否具备长期植入鼓膜的生物应用潜能。在体及离体研究均证实MGM具有良好的生物相容性和长期生物稳定性。MGM能促进鼓膜上皮细胞及成纤维细胞的粘附与增殖。将MGM（5 μm）贴附在鼓膜穿孔上3周后,薄层新生的上皮细胞及成纤维细胞沿着MGM两侧规则生长最终将其完全包裹，并在其两侧形成平滑连续的胶原纤维层，而在自发性愈合及明胶海绵贴附修复的鼓膜中出现明显的组织增厚、细胞紊乱及胶原层缺失或者断裂。植入后2月后，MGM仍能保持稳定的结构及厚度。由于MGM生物活性界面具有调节再生组织的炎症和免疫的特性，愈合过程中几乎没有组织排斥和炎症反应的迹象。进一步的功能检测发现，MGM植入2月后鼓膜的振动（laser Doppler vibrometry, LDV）、中耳能量反射（wideband acoustic immittance, WAI）及宽频听觉功能（tone burst auditory brainstem response, tbABR）与鼓膜穿孔前无显著差异。

最后，作者深入探索了MGM植入修复鼓膜宽频声学传导的机制。在具有鼓膜三层结构的FEM将中间纤维层替换为MGM机械参数后模拟发现，鼓膜振动的固有频率与MGM的模量及其两侧上皮层厚度呈正相关。当MGM模量高于2 GPa时，鼓膜振动的固有频率即已大于正常鼓膜。这些研究提示MGM优越的高模量特性以及MGM修复的鼓膜薄度有助于提高鼓膜的固有频率从而优化高频传导。既往研究证实高模量会在一定程度上会减少低频振动幅度,随后作者通过计算发现MGM本身的超轻、超薄及高弯曲性能有效抵消了高模量带来的低频区域的振动不足，从而能够实现全频段的高效声音传递，这也是MGM作为鼓膜修复补片的重要优势。

MGM植入修复鼓膜宽频声学传导

综上，不同于以往聚焦于显微结构重塑的鼓膜修复研究，作者提出通过设计具备优越声学及生物学特性的合成补片植入穿孔鼓膜从而优化其振动性能实现宽频听觉功能恢复的新策略及应用前景。

该研究由李春燕（副主任医师,上海市交通大学医学院附属第六人民医院）、熊志远（博士后，墨尔本大学）及周雷（医师，复旦大学附属中山医院）作为共同第一作者。上海市交通大学医学院附属第六人民医院殷善开教授，陆家瑜副主任医师及墨尔本大学李丹教授作为通讯作者。并受到加拿大达尔豪斯大学王坚教授及优听电子科技有限公司黄伟洛工程师的鼎力支持。

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论文信息：

Interfacing Perforated Eardrums with Graphene-Based Membranes for Broadband Hearing Recovery

Chunyan Li, Zhiyuan Xiong, Lei Zhou, Weiluo Huang, Yushi He, Linpeng Li, Haibo Shi, Jiayu Lu*, Jian Wang, Dan Li*, Shankai Yin*

Advanced Healthcare Materials

DOI: 10.1002/adhm.202201471