用于引导骨再生的新型仿生多功能双层纳米复合膜材料

来源：X一MOL资讯

原标题：上海交大&中科大Matter：用于引导骨再生的新型仿生多功能双层纳米复合膜材料

如何对创伤、炎症、先天性疾病或肿瘤切除引起的骨缺损进行有效修复一直是临床医学领域中的关键难题和研究热点。引导骨再生（guided bone regeneration, GBR）技术是实现骨缺损修复的有效方法，该技术是将一层屏障膜（简称GBR膜）覆盖于骨缺损区域，阻止周围上皮细胞和成纤维细胞的迁入干扰，从而确保骨再生过程的正常进行。

Bio-Gide胶原蛋白膜因其生物相容性、体内可降解性和独特的双层结构，成为当前临床上使用最广泛的GBR膜之一。其一面紧密光滑，朝向软组织，用于阻止非成骨细胞的迁入干扰；另一面粗糙多孔，以利于骨缺损区成骨细胞的粘附增殖。然而，在临床使用过程中，这种胶原膜仍然存在降解速度过快、无抗菌性和机械性能不足等缺点。针对这些问题，研究人员设计制备出一些新型的GBR膜材料，但是，其机械性能和生物学功能不足的问题仍未得到解决。

近日，上海交通大学医学院邹多宏教授研究组与中国科学技术大学俞书宏教授研究团队就这一挑战展开合作，他们基于仿生原理和Bio-Gide胶原膜的经典双层结构，通过将蒸发自组装技术和冷冻干燥技术巧妙结合，成功研制出一种新型的双层纳米复合GBR膜材料。该GBR膜不仅实现了与Bio-Gide胶原膜类似的双层结构和生物相容性，还同时呈现出Bio-Gide胶原膜所不具有的优越机械性能、抑菌性能以及合适的降解速率，这些优良属性使其成为理想的GBR膜材料，并有望在骨组织再生领域实现应用。相关研究论文发表在Cell Press旗下材料学旗舰期刊Matter 上，第一作者为硕士生张开润和副研究员高怀岭。

图1. 制备策略及应用示意图。图片来源：Matter

针对当前GBR膜机械性能不足的问题，研究人员运用来自贝壳珍珠层的仿生增强原理（Science, 2016, 354, 107; Nat. Commun., 2017, 8, 287; Nat. Commun., 2018, 9, 2974），借助蒸发自组装技术，将纳米结构单元和聚合物共组装成类珍珠层的有序层状结构，首先得到机械性能优异的致密单层膜（图1A-B）。随后，他们在该单层膜表面继续喷涂一层纳米复合溶液，并利用冷冻干燥技术进一步获得疏松多孔层（图1C-D），从而实现类似于Bio-Gide胶原膜的典型双层结构。而其他的生物功能特性则由所采用的有机组分壳聚糖（CS）和纳米组分氧化石墨烯（GO）及硅酸钙纳米线（CaSi）来实现。

通过扫描电镜观察表明，所构筑的新型纳米复合GBR膜具有典型的双层结构（图2A），一面为疏松多孔层（图2B），另一面为致密层，具有类似贝壳珍珠层的典型“砖-泥”结构，且表面光滑平整（图2C）。元素分析表明，CS、GO和CaSi三种组分在膜中分布均匀（图2D-F）。

图2. 结构表征。图片来源：Matter

研究人员通过调节各组分的含量，可以实现对所构筑GBR膜材料机械性能的有效调控与优化。由相关力学测试结果可知，干态下复合膜的最佳拉伸强度可达152.5 MPa，相比纯CS膜的74.5 MPa提高了近一倍，而Bio-Gide胶原膜的拉伸强度仅为3.7 MPa（图3A-B）。考虑到临床应用中体内的湿润环境，研究人员继续比较了湿态条件下各膜的拉伸强度，Bio-Gide胶原膜仅为1.16 MPa，而所构筑复合膜可达11.6 MPa，且该复合膜的韧性远优于Bio-Gide胶原膜（图3C），表明其明显的机械性能优势。

图3. 机械性能比较。图片来源：Matter

除优异的机械性能外，所获得的新型双层纳米复合GBR膜材料还具有理想GBR膜应有的多种优异生物学功能。研究人员通过将金黄色葡萄球菌等常见病原菌与复合膜共培养24小时，发现CS和GO具有显著的协同抑菌效果（图4A）。通过将复合膜浸泡于模拟体内环境的酶溶液中进行降解特性研究，表明该复合膜具有与骨组织修复周期非常匹配的降解速率（图4B）。此外，研究人员对其生物相容性和细胞粘附的差异性也进行了探究，结果显示该GBR材料不仅生物相容性良好（图4C），且细胞在其疏松多孔面的粘附能力明显高于光滑面（图4D-F），这表明该双层结构设计达到了预期的效果。该系列优异特性体现了这种新型GBR膜用于引导骨再生的临床治疗潜力。

图4. 生物学特性。图片来源：Matter

综上，研究人员发展的这种用于新型引导骨再生膜材料的制备策略，通过将蒸发诱导自组装技术与冷冻干燥技术巧妙结合，所构筑的新型GBR膜成功实现了理想GBR膜所应具有的多项优异特性，因此在骨组织再生医学领域具有重要的应用前景。