【背景介绍】
骨膜是覆盖在骨外表面的致密组织膜，由于其成骨和血管生成性质，骨膜是骨骼重建的关键。目前，人工骨膜主要由细胞片、脱细胞真皮、电纺纤维和水凝胶制成；然而，这些人工骨膜由于与骨骼的粘附性有限，在植入过程中需要额外固定缺损部位，这也可能导致其抑制软组织向内生长，并阻碍骨折伤口形成疤痕。此外，这些人工骨膜中与天然骨膜的内在生物学功能（例如，成骨和血管生成）并不相似。直接掺入生物分子（例如，生长因子）也存在释放无法控制的副作用（如致癌性）。这需要具有强组织粘附力的人造骨膜，以避免固定程序并防止疤痕组织向内生长，以及在不涉及生物大分子的情况下同步成骨和血管生成，以增强骨再生。
香港理工大学赵昕与南京大学医学院赵远锦团队开发了可光交联的聚（丙交酯-共-丙二醇-共-丙交酯）二甲基丙烯酸酯（PGLADMA）。这种聚合物最初是流动的，可以在曝光几秒钟后固化。固化的 PGLADMA 表现出优异的机械性能（杨氏模量≈19 MPa），浸水后不溶胀，这允许制造复杂的结构。加上其生物相容性，与聚（乙二醇）二丙烯酸酯或明胶甲基丙烯酰水凝胶相比，PGLADMA 在人造骨膜的制造方面更为优越。作者开发了具有精致表面纹理的材料，以构建具有粘性的 Janus 骨膜（图 1）。首先在 Janus 骨膜一侧模制了模仿壁虎脚垫的纤维状阵列（直径为 2 µm，高度为 4 µm），用于组织粘附。这种纤维状阵列尺寸已被证明能够与周围组织产生强大的摩擦力和粘附力。然后雕刻出类似于 Janus 骨膜另一侧天然骨膜的解剖学地形表面纹理的微槽图案（间隔为 40、80 和 120 µm）。这些微槽图案已被证明能够通过调节细胞形态和细胞黏着斑 (FA)且无需借助生长因子来刺激成骨和血管生成。为了进一步增加组织的粘附性，尤其是在生理潮湿环境下，作者通过一步浸涂固定受贻贝启发的富含儿茶酚的聚（多巴胺甲基丙烯酰胺-共-甲基丙烯酸羟乙酯）（PDMH）共聚物来修饰骨膜表面。粘附的邻苯二酚基团可以通过氢键、π-π相互作用和硫醇还原与组织形成强键。这是第一项调整材料表面结构以将强大的组织粘附和有效的细胞命运调节整合到一个骨膜中的研究。Janus 骨膜在干燥和潮湿条件下紧密粘附在天然骨骼上，还可以在体外和体内显着促进成骨和血管生成。这些独特的功能使Janus 骨膜非常适合骨再生，并赋予其强大的临床治疗功效。相关论文以题为Sculpting Bio-Inspired Surface Textures: An Adhesive JanusPeriosteum发表在《Advanced Functional Materials》上。
【主图导读】
图1，具有各向异性组织粘附和用于骨再生的解剖结构的仿生 Janus 骨膜示意图。骨膜由受贻贝启发的 PDMH 共聚物涂层 PGLADMA 基质组成，该基质雕刻有受壁虎启发的纤维状刚毛阵列和模仿微槽图案的骨膜。
图2，粘性 Janus 骨膜的制备和表征。A)光交联辅助注射成型技术制造 Janus 骨膜。粘合剂Janus 骨膜不同微槽宽度的 SEM 图像包括B) 40、C) 80 和 D) 120 µm，E)粘附表面上的纤维阵列的微槽图案表面。F) XPS 光谱和 G)裸 PGLADMA 和具有不同 PDMH 浓度的 PDMH 涂层 PGLADMA 的XPS光谱。
图3，Janus 骨膜粘附强度的表征。A)剪切和正常粘附强度测试方案。B) 将各向异性骨膜应用于新鲜骨，可承受 800g的重量。C) 干燥条件下剪切(Ci) 和正常 (Cii) 粘附强度的量化。D) 湿条件下剪切 (Di) 和正常 (Dii) 粘附强度的量化。
图4，Janus骨膜的生物相容性。A) 第 1 天不同 Janus 骨膜上 rMSC 的代表性活/死图像。绿色和红色荧光分别表示活细胞和死细胞。B) 不同 Janus 骨膜上 rMSC的代表性肌动蛋白/DAPI 染色图像。绿色和蓝色荧光分别表示细胞丝和细胞核。C) 细胞活力和 D) 细胞扩散区域的定量评估。E) 使用 MTT 细胞增殖试剂盒测量的不同 Janus 骨膜上 rMSC 的细胞增殖。
图5，在第3 天使用肌动蛋白/DAPI 染色模拟骨膜上的 A) rMSC和 E) HUVEC 的细胞排列评估。绿色和蓝色荧光分别表示细胞细丝和细胞核。B) rMSC 和 F) HUVEC 细胞排列的统计分析。C) 培养 3 天和 7 天后 rMSC 的 ALP 活性评估和 D)OCN 基因的相对表达。HUVEC 的血管生成 G)VEGF-A 和 H) eNOS 基因的相对表达。
图6，Janus骨膜体内治疗性能。A) Micro-CT 重建结果显示不同实验组的新骨区域。B) 已建立的临界尺寸颅骨缺损模型的典型照片。术后 4 周和 8 周 C) BMD 和 D) BV/TV 的定量分析。
图7，A) 术后4 周和 8 周颅骨切片中 α-SMA（红色）、OCN（绿色）蛋白和 DAPI（蓝色）的免疫荧光染色。白色箭头表示新血管。B) 血管数量和 C) 相应部分内的相对OCN 强度的量化。
【总结】
作者开发了一种仿生的Janus骨膜，具有各向异性的表面粘附和用于骨再生的解剖模式。由此产生的 Janus 骨膜与壁虎足的纤维状刚毛阵列、贻贝的粘附蛋白以及天然骨膜的解剖学地形微槽图案相结合。这种骨膜呈现出各向异性的粘附性，在干燥和潮湿条件下均具有强剪切力和正常粘附性，并且在体外和体内同步成骨和血管生成的有效细胞调节。各向异性骨膜具有优异的组织粘附力和新骨和新生血管再生能力，具有临床骨缺损再生的巨大潜力。
参考文献：doi.org/10.1002/adfm.202104636
原文刊载于【高分子材料科学】公众号
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！