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暨南大學(xué)羅丙紅教授團(tuán)隊(duì) AHM：彈性木基人工骨膜 - 具備超粘附、高彈性、各向異性結(jié)構(gòu)、多重生物功能，可媲美天然骨膜
2024-04-10  來(lái)源：高分子科技

  天然骨膜是覆蓋在骨表面的一層致密纖維結(jié)締組織，在骨修復(fù)過(guò)程中至關(guān)重要。作為天然骨膜的替代品，人工骨膜的研究與應(yīng)用近年得到了快速發(fā)展；然而，研發(fā)具有類天然骨膜在力學(xué)和結(jié)構(gòu)上的各向異性、超強(qiáng)的粘附性以及成骨成血管化多重生物功能的人工骨膜始終具有挑戰(zhàn)。近日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院羅丙紅教授團(tuán)隊(duì)受到天然木材（NW）各向異性結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，開發(fā)了一種用于時(shí)空藥物釋放的木材基彈性人工骨膜（圖1），該人工骨膜具有各向異性的纖維結(jié)構(gòu)、高彈性、卓越的組織粘附性以及成血管和成骨協(xié)同能力，其結(jié)構(gòu)和功能都與天然骨膜高度相似。具體來(lái)講，該人工骨膜由超柔韌的彈性木材作為基體層，聚多巴胺（PDA）作為粘結(jié)層，層層（LBL）自組裝載藥層為生物功能層。其中生物功能層由分別帶正電和負(fù)電的天然高分子負(fù)載藥物LBL自組裝而成。這項(xiàng)工作首次將木材基體材料用于修復(fù)體內(nèi)顱骨缺損，為人工骨膜的仿生設(shè)計(jì)開辟了新途徑并提供了可行的臨床策略。


圖1 木材基彈性人工骨膜的設(shè)計(jì)思路


  理化性能分析表明，彈性木材作為人工骨膜的基體層，具備各向異性、高彈性和高孔隙率等特點(diǎn)，并且在結(jié)構(gòu)和力學(xué)上都與天然骨膜高度相似。同時(shí)，通過(guò)SEM形貌、XPS和固體表面電位的分析證明了LBL生物功能層和PDA粘結(jié)層的成功修飾。并且，所制備的人工骨膜能夠有效緩釋藥物，且拉伸性能也隨著自組裝層數(shù)的增加而增強(qiáng)。 


圖2 人工骨膜的理化性能表征


  組織粘附實(shí)驗(yàn)表明，該人工骨膜無(wú)需任何外力作用即可很好地粘附在沾滿血液和油脂的骨骼、腎臟、心臟和肝臟等動(dòng)物組織表面；并且具備形狀匹配性能夠緊密粘附在骨骼邊緣和彎曲處。 


圖3 人工骨膜的粘附性能


  體外成骨實(shí)驗(yàn)表明，該人工骨膜可以上調(diào)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSC）的堿性磷酸酶活性和礦化鈣結(jié)節(jié)的水平表達(dá)（圖4）。并且，本研究還利用雞胚尿囊膜模型來(lái)直觀顯示該人工骨膜的促進(jìn)血管生成能力。有趣的是，新生血管沿著人工骨膜的邊緣處呈現(xiàn)放射狀徑向生長(zhǎng)，同時(shí)富含豐富的血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖5）。  


圖4 人工骨膜的體外成骨潛力 


圖5 人工骨膜的體外成血管潛力


  體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，各組均在顱骨缺損區(qū)域內(nèi)觀察到新生骨組織，但在數(shù)量和質(zhì)量上存在明顯差異。與對(duì)照組相比，人工骨膜呈現(xiàn)最多的新骨組織面積，并且還具有最高的骨礦物密度（BMD）、骨體積與總體積之比（BV/TV）和骨小梁數(shù)量（Tb.N），表明了該人工骨膜能夠有效促進(jìn)體內(nèi)顱骨再生（圖6）。本研究還通過(guò)組織學(xué)染色分析發(fā)現(xiàn)，在人工骨膜植入處形成了典型的編織骨和層狀骨組織，表明了人工骨膜植入過(guò)程中活躍的成骨過(guò)程。然而，對(duì)照組幾乎沒有明顯的新骨形成，并且被大量纖維組織覆蓋（圖7）。 


圖6 人工骨膜的體內(nèi)成骨活性


圖7 人工骨膜的組織學(xué)染色評(píng)估


  最后，利用免疫熒光染色來(lái)評(píng)估人工骨膜的協(xié)同促進(jìn)成骨和成血管的能力。結(jié)果表明，在第4周和第8周人工骨膜的CD31和OCN表達(dá)強(qiáng)度都明顯高于對(duì)照組，這意味著人工骨膜可以隨著時(shí)間推移而長(zhǎng)期釋放PDS和 DFO。總之，木材基彈性人工骨膜的優(yōu)異成骨和成血管能力可歸因于獨(dú)特的各向異性結(jié)構(gòu)和PDS、DFO的長(zhǎng)效釋放（圖8）。 


圖8 人工骨膜的免疫熒光染色評(píng)估


  相關(guān)工作以“A Wood-Derived Periosteum for Spatiotemporal Drug Release: Boosting Bone Repair through Anisotropic Structure and Multiple Functions”為題發(fā)表在Advanced Healthcare Materials上，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院羅丙紅教授為論文唯一通訊作者，化學(xué)與材料學(xué)院2021級(jí)碩士研究生孫甜藝為論文第一作者。該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和省科技計(jì)劃項(xiàng)目等的大力支持。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202400707

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