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在骨组织工程中协调厚度和渗透性:一种受蜘蛛丝动力学启发的新型丝素膜
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近日，上海交通大学医学院附属第九人民医院邹多宏团队在期刊《Advanced Materials》上，发表了研究文章“Harmonizing Thickness and Permeability in Bone Tissue Engineering: A Novel Silk Fibroin Membrane Inspired by Spider Silk Dynamics”研究指出GBR膜厚度和通透性之间的相互作用可以通过蜘蛛丝的集水机制来解决。丝素膜通过将光滑、致密层与粗糙、松散层和谐地结合在一起，具有定向流体输送功能;锥形微通道设计在光滑和紧凑的层。因此，设计了具有锥形微孔通道的双层膜(CSMP-DSF膜)用于原位骨修复。 在牙科种植中，引导骨再生(GBR)是骨组织工程中常用的一种技术，用于解决目标种植区域的骨缺陷。丝素蛋白是一种多功能蛋白质，由鳞翅目幼虫(如蚕)和一些蛛形纲动物(包括蜘蛛、螨虫和蝎子)产生。然而，蚕丝由于其优异的生物相容性和卓越的机械强度，已广泛用于纺织工业和外科手术缝合线。丝素蛋白在结构上表现出β-折叠之间的无定形连接，密切模仿非胶原蛋白的阴离子结构。这些特性使丝素蛋白成为开发GBR膜是极有前途的天然材料。然而，膜厚度和通透性之间的相互作用仍然是一个挑战。 研究内容 1、CSMP-DSF膜的制备 该研究开发一种能够跨厚度定向流体输送的GBR膜，并采用两步法制备了具有锥形微孔通道的双层丝素膜，首先采用自蒸发法制备致密层，然后采用冷冻干燥技术制备松散层。其中致密层使双层膜具有坚固的力学性能，而松散层靠近骨缺损，促进成骨细胞相关细胞的附着，并且比致密层降解得更快，最大限度地发挥其成骨潜力。 2、丝质GBR膜的表征与定向流体输送 扫描电镜显示CSMP-DSF膜由致密层和松散层组成，其中致密层表面光滑（s面），松散层表面粗糙（r面），位于激光进入致密层的表面(i面)最大直径为70 μm。通过冷冻干燥技术制备的松散层具有蜂窝结构。FTIR和XRD显示CSMP-DSF膜主要由β-折叠结构和α-螺旋结构组成。其中致密层在1625 cm−1处的C = O键振动峰更加明显和尖锐。相反，疏松层在1645 cm−1处的N─H弯曲振动峰形状更为明显，表明疏松层中亲水性α-螺旋结构的比例高于致密层。水接触角测试表明s表面和r表面表面润湿性的差异可归因于它们的制备工艺和表面结构的差异。CSMP-DSF膜水输送能力表明，当水滴被放置在CSMP- DSF膜表面时，由于松散层和致密层之间的表面能梯度以及CSMP结构产生的拉普拉斯压力，水滴被输送到松散层。随后，水滴在微槽内毛细力的驱动下向松散层扩散。 这些发现表明，基于表面能梯度和拉普拉斯压力，CSMP-DSF膜具有为液体输送创造“泵送”效应的结构属性。表面能梯度和拉普拉斯压力产生的合力促进了液体从s表面向松散层的运动，同时阻止了液体从松散层向s表面的反向转移。该机构实现了有效、定向的液体输送。 3、CSMP-DSF膜的体外表征 研究表明，CSMP-DSF膜s面防细菌粘附能力强，这种效应可能是由于致密层表面结构光滑，表面润湿性较低，不利于细菌定植。证实了两层CSMP-DSF膜的生物相容性。活/死染色分析结果也间接提供了不同表面上细胞粘附、形态和增殖差异。电镜观察表明CSMP-DSF膜的s表面有效地隔离了非成骨细胞干扰的骨缺陷，而r表面似乎促进了成骨细胞的粘附和增殖。 4、CSMP-DSF膜的体内表征 结果表明：CSMP-DSF和BioGide膜都能在体内完全降解，并有效促进骨缺损的修复。在体内实验中，CSPM膜对骨缺损的修复效果与Bio-Gide膜相当。CSMP-DSF膜在维持成骨空间和防止来自外部环境的非成骨细胞的干扰方面是有效的。 结论 在这项研究中，功地开发了一种双层丝素膜。这种膜由紧密和松散的层组成，通过锥形通道相互连接，使用蒸发、激光钻孔和冷冻干燥技术组合而成。这些层之间独特的润湿性梯度，加上CSMP结构产生的拉普拉斯压力，促进了液体从s表面向松散层的有效定向输送。此外，CSMP-DSF膜具有优异的力学性能和生物相容性。它们促进成骨相关细胞的附着，同时有效抵抗外部细菌的粘附。在实际应用中，该膜被用于修复食蟹猴模型的牙槽骨缺损，其效果与使用具有松散结构的Bio-Gide膜相当。其安全性无任何不良反应，突出了其优越的机械强度以及屏障能力和一定的渗透性。 原文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202310697 |
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