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。蚕丝由于其优异的生物相容性和良好的机械性能，被广泛运用在引导骨再生领域，旨在解决目标种植区内的骨缺陷问题。目前，商用的
GBR
膜主要采用
Janus
结构，一面光滑致密，主要为防止非成骨细胞和细菌附着在骨缺损部位，另一面粗糙多孔，可以提供成骨细胞附着位点，引导骨细胞再生，并且可以通过起到一定的力学支撑和隔离作用，防止成纤维细胞向内生占据成骨空间，
然而，
GBR
膜的血液和体液输送功能容易被忽略，这使得携带营养物质和蛋白质的体液无法从膜的外侧传递到内部骨缺损区域，影响到了新陈代谢和组织再生；从而降低了成骨效率。因此，如何同时具有机械强度、屏障隔离和有效养分定向运输特点的生物质
GBR
膜是一项重大挑战。
上海交通大学医学院附属第九人民医院
邹多宏、郑吉驷
教授团队中国科学院上海微系统与信息技术研究所
陶虎
教授团队
从蜘蛛丝的集水特性中汲取灵感，设计了一种具有润湿性梯度的双层丝素蛋白基
GBR
膜。
该膜结合了自蒸发、冷冻干燥和激光钻孔技术，实现了由致密的光滑层和松散的粗糙层组成的双层结构，通过激光钻孔技术将致密层和松散层通过锥形微孔通道互连为双层
GBR
膜（
CSMP-DSF
膜），
其中光滑层充当保护屏障，防止成纤维细胞和细菌附着在骨缺损附近，松散层因为更加靠近骨缺损部位，可以促进成骨细胞的附着，并且致密层笔降解得更快。两层结构的协同作用使得在保障物质传递的同时，实现软组织与骨骼缺损区域的物理隔离。
该工作以
“Harmonizing Thickness and Permeability in Bone Tissue Engineering: A Novel Silk Fibroin Membrane Inspired by Spider Silk Dynamics”
为题发表在
24
年的《
Advanced Materials
》上。
【文章亮点】
1.
脱胶与孔径对膜性能的影响
：孔间距的减小导致单位面积微孔数量的增加，脱胶时间过长会导致丝素蛋白的降解，使得
CSMP-DSF
膜的力学性能变差。
当孔间距从
1 mm
减小到
500 μm
时，
CSMP-DSF
膜的力学性能显著下降。综上所述，
该团队选择脱胶时间为
30 min
的丝素溶液来制备
CSMP-DSF
膜，
CSMP
膜的最小孔径约为
30 μm
，间距约为
1mm
。
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）。
2.
降解物质促进组织再生
：
CSMP-DSF
膜在不同时间点的形态观察表明，降解速率的差异可能是由于松散层的快速降解所致。结构松散、孔隙率高的材料往往降解得更快，因为它们有利于酶的进入和表面侵蚀，在体内植入后，
CSMP-DSF
膜的松散层将比致密层降解得更快，在相同条件下释放更多的降解产物到周围组织中
,
这些降解产物
形成的低分子量、可溶性、电负性蛋白质作为成核位点，促进了钙盐的沉积。这增强了成骨分化过程中的细胞外矿化，并刺激骨髓间充质干细胞（
BMSCs
）增殖，
此外，这些蛋白质的电荷可能通过影响
BMSCs
细胞膜上的电压化钙通道来增加细胞内
Ca
2+
水平。这反过来又上调相关基因的表达，从而促进成骨分化。
3.
Janus
结构
:
CSMP-DSF
膜的
S
面有效地隔离了非成骨细胞干扰的骨缺陷，而
R
面似乎促进了成骨细胞的粘附和增殖。生物材料的表面形貌通过影响宿主细胞的物理刺激，以及调节成骨干细胞的分化和局部免疫反应，在决定骨再生结果方面起着至关重要的作用，在研究中表明，
通过控制膜表面形态，可以促进附着在膜表面的细胞的成骨分化。
4.
体内完全降解：
进行组织学染色后发现，
在牙槽嵴区没有检测到
CSMP-DSF
膜的残留碎片
，表明植入后
12
个月内
CSMP-DSF
膜完全降解。牙槽骨缺损区内未吸收的残留骨粉被大量新形成的骨组织包裹，从而建立了稳定的骨质结构。
这一现象表明，
CSMP-DSF
膜经历了完全的体内降解，有效地促进了骨缺损的修复。
图
1 CSMP-DSF
膜的应用与制备
图
2
CSMP-DSF
膜的液体定向输运原理及其润湿性
