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在骨組織工程中協(xié)調(diào)厚度和滲透性:一種受蜘蛛絲動(dòng)力學(xué)啟發(fā)的新型絲素膜
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近日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院鄒多宏團(tuán)隊(duì)在期刊《Advanced Materials》上，發(fā)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膜厚度和通透性之間的相互作用可以通過蜘蛛絲的集水機(jī)制來解決。絲素膜通過將光滑、致密層與粗糙、松散層和諧地結(jié)合在一起，具有定向流體輸送功能;錐形微通道設(shè)計(jì)在光滑和緊湊的層。因此，設(shè)計(jì)了具有錐形微孔通道的雙層膜(CSMP-DSF膜)用于原位骨修復(fù)。 在牙科種植中，引導(dǎo)骨再生(GBR)是骨組織工程中常用的一種技術(shù)，用于解決目標(biāo)種植區(qū)域的骨缺陷。絲素蛋白是一種多功能蛋白質(zhì)，由鱗翅目幼蟲(如蠶)和一些蛛形綱動(dòng)物(包括蜘蛛、螨蟲和蝎子)產(chǎn)生。然而，蠶絲由于其優(yōu)異的生物相容性和卓越的機(jī)械強(qiáng)度，已廣泛用于紡織工業(yè)和外科手術(shù)縫合線。絲素蛋白在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出β-折疊之間的無定形連接，密切模仿非膠原蛋白的陰離子結(jié)構(gòu)。這些特性使絲素蛋白成為開發(fā)GBR膜是極有前途的天然材料。然而，膜厚度和通透性之間的相互作用仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。 研究內(nèi)容 1、CSMP-DSF膜的制備 該研究開發(fā)一種能夠跨厚度定向流體輸送的GBR膜，并采用兩步法制備了具有錐形微孔通道的雙層絲素膜，首先采用自蒸發(fā)法制備致密層，然后采用冷凍干燥技術(shù)制備松散層。其中致密層使雙層膜具有堅(jiān)固的力學(xué)性能，而松散層靠近骨缺損，促進(jìn)成骨細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞的附著，并且比致密層降解得更快，最大限度地發(fā)揮其成骨潛力。 2、絲質(zhì)GBR膜的表征與定向流體輸送 掃描電鏡顯示CSMP-DSF膜由致密層和松散層組成，其中致密層表面光滑（s面），松散層表面粗糙（r面），位于激光進(jìn)入致密層的表面(i面)最大直徑為70 μm。通過冷凍干燥技術(shù)制備的松散層具有蜂窩結(jié)構(gòu)。FTIR和XRD顯示CSMP-DSF膜主要由β-折疊結(jié)構(gòu)和α-螺旋結(jié)構(gòu)組成。其中致密層在1625 cm−1處的C = O鍵振動(dòng)峰更加明顯和尖銳。相反，疏松層在1645 cm−1處的N─H彎曲振動(dòng)峰形狀更為明顯，表明疏松層中親水性α-螺旋結(jié)構(gòu)的比例高于致密層。水接觸角測試表明s表面和r表面表面潤濕性的差異可歸因于它們的制備工藝和表面結(jié)構(gòu)的差異。CSMP-DSF膜水輸送能力表明，當(dāng)水滴被放置在CSMP- DSF膜表面時(shí)，由于松散層和致密層之間的表面能梯度以及CSMP結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉普拉斯壓力，水滴被輸送到松散層。隨后，水滴在微槽內(nèi)毛細(xì)力的驅(qū)動(dòng)下向松散層擴(kuò)散。 這些發(fā)現(xiàn)表明，基于表面能梯度和拉普拉斯壓力，CSMP-DSF膜具有為液體輸送創(chuàng)造“泵送”效應(yīng)的結(jié)構(gòu)屬性。表面能梯度和拉普拉斯壓力產(chǎn)生的合力促進(jìn)了液體從s表面向松散層的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)阻止了液體從松散層向s表面的反向轉(zhuǎn)移。該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了有效、定向的液體輸送。 3、CSMP-DSF膜的體外表征 研究表明，CSMP-DSF膜s面防細(xì)菌粘附能力強(qiáng)，這種效應(yīng)可能是由于致密層表面結(jié)構(gòu)光滑，表面潤濕性較低，不利于細(xì)菌定植。證實(shí)了兩層CSMP-DSF膜的生物相容性�；�/死染色分析結(jié)果也間接提供了不同表面上細(xì)胞粘附、形態(tài)和增殖差異。電鏡觀察表明CSMP-DSF膜的s表面有效地隔離了非成骨細(xì)胞干擾的骨缺陷，而r表面似乎促進(jìn)了成骨細(xì)胞的粘附和增殖。 4、CSMP-DSF膜的體內(nèi)表征 結(jié)果表明：CSMP-DSF和BioGide膜都能在體內(nèi)完全降解，并有效促進(jìn)骨缺損的修復(fù)。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，CSPM膜對骨缺損的修復(fù)效果與Bio-Gide膜相當(dāng)。CSMP-DSF膜在維持成骨空間和防止來自外部環(huán)境的非成骨細(xì)胞的干擾方面是有效的。 結(jié)論 在這項(xiàng)研究中，功地開發(fā)了一種雙層絲素膜。這種膜由緊密和松散的層組成，通過錐形通道相互連接，使用蒸發(fā)、激光鉆孔和冷凍干燥技術(shù)組合而成。這些層之間獨(dú)特的潤濕性梯度，加上CSMP結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉普拉斯壓力，促進(jìn)了液體從s表面向松散層的有效定向輸送。此外，CSMP-DSF膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性。它們促進(jìn)成骨相關(guān)細(xì)胞的附著，同時(shí)有效抵抗外部細(xì)菌的粘附。在實(shí)際應(yīng)用中，該膜被用于修復(fù)食蟹猴模型的牙槽骨缺損，其效果與使用具有松散結(jié)構(gòu)的Bio-Gide膜相當(dāng)。其安全性無任何不良反應(yīng)，突出了其優(yōu)越的機(jī)械強(qiáng)度以及屏障能力和一定的滲透性。 原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202310697 |
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