暨南大学罗丙红教授团队 AHM：弹性木基人工骨膜 - 具备超粘附、高弹性、各向异性结构、多重生物功能，可媲美天然骨膜

2024-04-10 来源：高分子科技

天然骨膜是覆盖在骨表面的一层致密纤维结缔组织，在骨修复过程中至关重要。作为天然骨膜的替代品，人工骨膜的研究与应用近年得到了快速发展；然而，研发具有类天然骨膜在力学和结构上的各向异性、超强的粘附性以及成骨成血管化多重生物功能的人工骨膜始终具有挑战。近日，暨南大学化学与材料学院罗丙红教授团队受到天然木材（NW）各向异性结构的启发，开发了一种用于时空药物释放的木材基弹性人工骨膜（图1），该人工骨膜具有各向异性的纤维结构、高弹性、卓越的组织粘附性以及成血管和成骨协同能力，其结构和功能都与天然骨膜高度相似。具体来讲，该人工骨膜由超柔韧的弹性木材作为基体层，聚多巴胺（PDA）作为粘结层，层层（LBL）自组装载药层为生物功能层。其中生物功能层由分别带正电和负电的天然高分子负载药物LBL自组装而成。这项工作首次将木材基体材料用于修复体内颅骨缺损，为人工骨膜的仿生设计开辟了新途径并提供了可行的临床策略。

图1 木材基弹性人工骨膜的设计思路

理化性能分析表明，弹性木材作为人工骨膜的基体层，具备各向异性、高弹性和高孔隙率等特点，并且在结构和力学上都与天然骨膜高度相似。同时，通过SEM形貌、XPS和固体表面电位的分析证明了LBL生物功能层和PDA粘结层的成功修饰。并且，所制备的人工骨膜能够有效缓释药物，且拉伸性能也随着自组装层数的增加而增强。

图2 人工骨膜的理化性能表征

组织粘附实验表明，该人工骨膜无需任何外力作用即可很好地粘附在沾满血液和油脂的骨骼、肾脏、心脏和肝脏等动物组织表面；并且具备形状匹配性能够紧密粘附在骨骼边缘和弯曲处。

图3 人工骨膜的粘附性能

体外成骨实验表明，该人工骨膜可以上调骨髓间充质干细胞（BMSC）的碱性磷酸酶活性和矿化钙结节的水平表达（图4）。并且，本研究还利用鸡胚尿囊膜模型来直观显示该人工骨膜的促进血管生成能力。有趣的是，新生血管沿着人工骨膜的边缘处呈现放射状径向生长，同时富含丰富的血管网络结构（图5）。

图4 人工骨膜的体外成骨潜力

图5 人工骨膜的体外成血管潜力

体内动物实验表明，各组均在颅骨缺损区域内观察到新生骨组织，但在数量和质量上存在明显差异。与对照组相比，人工骨膜呈现最多的新骨组织面积，并且还具有最高的骨矿物密度（BMD）、骨体积与总体积之比（BV/TV）和骨小梁数量（Tb.N），表明了该人工骨膜能够有效促进体内颅骨再生（图6）。本研究还通过组织学染色分析发现，在人工骨膜植入处形成了典型的编织骨和层状骨组织，表明了人工骨膜植入过程中活跃的成骨过程。然而，对照组几乎没有明显的新骨形成，并且被大量纤维组织覆盖（图7）。

图6 人工骨膜的体内成骨活性

图7 人工骨膜的组织学染色评估

最后，利用免疫荧光染色来评估人工骨膜的协同促进成骨和成血管的能力。结果表明，在第4周和第8周人工骨膜的CD31和OCN表达强度都明显高于对照组，这意味着人工骨膜可以随着时间推移而长期释放PDS和 DFO。总之，木材基弹性人工骨膜的优异成骨和成血管能力可归因于独特的各向异性结构和PDS、DFO的长效释放（图8）。

图8 人工骨膜的免疫荧光染色评估

相关工作以“A Wood-Derived Periosteum for Spatiotemporal Drug Release: Boosting Bone Repair through Anisotropic Structure and Multiple Functions”为题发表在Advanced Healthcare Materials上，暨南大学化学与材料学院罗丙红教授为论文唯一通讯作者，化学与材料学院2021级硕士研究生孙甜艺为论文第一作者。该成果得到了国家自然科学基金面上项目、省自然科学基金面上项目和省科技计划项目等的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202400707

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（责任编辑：xu）

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