中山大学吴丁财/吴淑仪/郑冰娜AFM: 多生物活性功能的仿叶结构的多孔膜有效引导骨再生

生物医用材料进展 · 公众号 · · 2025-01-21 21:18

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在进行骨缺损手术时，由于软组织的生长远远大于骨骼生长的速率，软组织会优先填入骨缺损部位，占据成骨空间。因此开发出一种具有防止软组织细胞渗透的致密结构，和促进成骨细胞粘附和增殖的疏松结构，用于隔离骨缺损区与其相邻软组织之间的材料对于骨修复至关重要，因此，人们正在努力探索具有致密和疏松结构的材料。如通过 顺序分步静电纺丝、亚环境温度电沉积、和冰模板技术 自组装构建的 Janus 材料，该材料可同时满足疏松和致密的要求，但是不能消除微环境中不利于骨缺损修复的因素，如聚集的活性氧（ ROS ）、病原菌和不平衡的生物电。由于缺乏多种生物活性功能，这阻碍了 Janus 材料在组织再生工程中的应用。目前常见的合成策略，是通过引入单一的功能性助剂进入体系，如将抗菌剂（抗生素和银纳米粒子和无机盐）引入屏障膜，以实现抗菌和促成骨功能。然而，它们往往局限于解决一个单一的问题，无法平衡多种生物活性功能，如清除 ROS 、修复生物电和杀死细菌。另一方面，此类策略也可能导致耐药性、累积毒性、和局部微环境碱化，大大影响促成骨效果。因此，如何制备出具有营养物质的输送，平衡生物电和去除活性氧功能的骨屏障贴富有挑战。

中山大学的吴丁财、吴淑仪、 郑冰娜 教授团队 受叶子分层多功能协同作用的启发，通过呼吸图和相分离的组合，开发出了一种超结构多孔膜（ SPM ），该膜具有不对称的表面孔、相互连接的大孔和功能微孔，其中致密的多孔层可以抑制软组织细胞的渗透，维持成骨空间，疏松的多孔层具有相互连接的微孔通道，可以有效促进成骨细胞的粘附和增殖，有助于输送营养物质，暴露功能成分。

该工作以 “Leaf-Mimicking Superstructured Porous Membrane with Multiple Bioactive Pro-Healing Functions for Effective Guided Bone Regeneration” 为题发表在 24 年的《 Advanced Functional Materials 》上。

【文章亮点】

SPM 膜 的支撑作用： 该屏障膜可以提供足够的支撑作用，维持骨骼再生空间，并防止软组织细胞的渗透。在磷酸盐缓冲盐水（ PBS ）缓冲液中浸泡 1 天后， SPM 可以在潮湿状态下轻松承受 1 g （ >35 倍于 SPM 干重）的负载，并在卸载后恢复到其初始形状。

功 能性多孔碳纳米球（ CNSs ）：该纳米球作为多功能核心成分被引入到屏障膜，赋予了 SPM 膜优异的光热性能和按需抗菌的能力，并且由于刚性的 CNSs 的引入，进一步提升了膜的机械性能，同时也使得 SPM 具有优异清除自由基的能力。另一方面， CNSs 还可以通过构建细胞通信网络来调节细胞行为，促进组织修复。

多孔结构的形成： 聚乳酸（ PLA ）、聚己内酯（ PCL ）和聚（乙二醇） - 嵌段 - 聚（丙二醇）嵌段 - 聚（乙二醇）（ P123 ）的 CH ₂ Cl ₂ 溶液在潮湿空气中固化，形成表面疏松多孔（平均孔径为 2.2μm ）和相互连接的多孔内部结构。为探究形成这种内部结构的关键因素，该团队制备了不含 PCL 或 PLA 的膜（分别表示为 PLA/P123 或 PCL/P123 膜）。所制备的 PLA/P123 膜显示出多孔的顶面和由凝结水滴下沉引起的丰富的隔离内部孔。与之相对应的是， PCL/P123 膜的顶面和内部均呈现致密、无孔的纳米形貌。上述结果表明， SPM 膜内部多孔结构的形成，可能是由于共混聚合物溶液在凝固过程中的相分离和凝结水滴下沉引起的。

图 1 仿叶结构的 SPM 及其在牙槽骨缺损修复中的应用

图 2 微观形貌观察

图 3 SPM 的空间维持及其活性氧去除

图 4 细胞实验

中山大学吴丁财/吴淑仪/郑冰娜AFM: 多生物活性功能的仿叶结构的多孔膜有效引导骨再生

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