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暨南大學羅丙紅教授團隊 AHM：彈性木基人工骨膜 - 具備超粘附、高彈性、各向異性結構、多重生物功能，可媲美天然骨膜
2024-04-10  來源：高分子科技

  天然骨膜是覆蓋在骨表面的一層致密纖維結締組織，在骨修復過程中至關重要。作為天然骨膜的替代品，人工骨膜的研究與應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和結構上的各向異性、超強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，暨南大學化學與材料學院羅丙紅教授團隊受到天然木材（NW）各向異性結構的啟發(fā)，開發(fā)了一種用于時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構、高彈性、卓越的組織粘附性以及成血管和成骨協(xié)同能力，其結構和功能都與天然骨膜高度相似。具體來講，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電的天然高分子負載藥物LBL自組裝而成。這項工作首次將木材基體材料用于修復體內顱骨缺損，為人工骨膜的仿生設計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計思路


  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，并且在結構和力學上都與天然骨膜高度相似。同時，通過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。 


圖2 人工骨膜的理化性能表征


  組織粘附實驗表明，該人工骨膜無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


  體外成骨實驗表明，該人工骨膜可以上調骨髓間充質干細胞（BMSC）的堿性磷酸酶活性和礦化鈣結節(jié)的水平表達（圖4）。并且，本研究還利用雞胚尿囊膜模型來直觀顯示該人工骨膜的促進血管生成能力。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，同時富含豐富的血管網(wǎng)絡結構（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


  體內動物實驗表明，各組均在顱骨缺損區(qū)域內觀察到新生骨組織，但在數(shù)量和質量上存在明顯差異。與對照組相比，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體內顱骨再生（圖6）。本研究還通過組織學染色分析發(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程中活躍的成骨過程。然而，對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 人工骨膜的體內成骨活性


圖7 人工骨膜的組織學染色評估


  最后，利用免疫熒光染色來評估人工骨膜的協(xié)同促進成骨和成血管的能力。結果表明，在第4周和第8周人工骨膜的CD31和OCN表達強度都明顯高于對照組，這意味著人工骨膜可以隨著時間推移而長期釋放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特的各向異性結構和PDS、DFO的長效釋放（圖8）。 


圖8 人工骨膜的免疫熒光染色評估


  相關工作以“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，暨南大學化學與材料學院羅丙紅教授為論文唯一通訊作者，化學與材料學院2021級碩士研究生孫甜藝為論文第一作者。該成果得到了國家自然科學基金面上項目、省自然科學基金面上項目和省科技計劃項目等的大力支持。


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

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（責任編輯：xu）
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