作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 聚己内酯和PDA纳米粒子静电纺丝制备工程膜示意图
信用:NPG亚洲物资，doi: 10
1038/s 14427-019-0139-5 在一项发表在《NPG亚洲材料》上的新研究中，生物工程学家报道了一种新的纤维膜的开发，这种纤维膜含有干细胞，可以修复小鼠颅骨的骨缺损
为此，他们引入了贻贝启发的聚多巴胺蛋白，作为一种有希望的化合物，将生物物质束缚在膜表面，就像贻贝中的粘附蛋白一样
在这项工作中，易登和中澳化学工程、机械工程、材料技术、未来材料与再生医学中心等交叉学科的研究团队在生物相容性膜上涂覆了聚多巴胺纳米粒子，形成了许多用于钙附着和骨缺损修复的拓扑位点
研究小组用从骨髓中分离出的干细胞培育未包被和包被的膜，并将膜植入活体小鼠以再生颅骨缺损
经过两个月的转化研究，他们揭示了粘性膜引导干细胞产生大量骨的能力，与未包被的膜相比
骨缺陷和损伤通常在微观层面上作为先天性缺陷、由于事故或作为与年龄相关的退化性疾病而发生
大多数骨缺损不能通过自愈合机制自发修复，因此迫切需要开发坚固的生物材料，以促进骨研究和骨组织工程中的骨修复
生物工程师可以通过引导组织再生(GTR)在表面膜上操纵干细胞分化形成成熟的成骨细胞，以实现优化的大规模骨再生
在材料科学和高级功能材料领域，电纺膜因其具有多种生物相容性优势而受到广泛关注，包括: 干细胞附着的生物仿生学大表面积促进细胞粘附和生长形成三维纤维膜的能力和加速多种干细胞系(来自小鼠、大鼠和人类)成骨潜能的能力
PDA纳米粒子和静电纺PDA/聚己内酯纤维膜的微观形态
PDA核电站的瞬变电磁图像；(b1)原始聚己内酯，(B2)1% PDA/聚己内酯，(B3)2% PDA/聚己内酯，(B4)5% PDA/聚己内酯，(b5)10% PDA/聚己内酯纤维膜的扫描电镜图像
b中的红色箭头指向细丝
底部:PDA/聚己内酯纤维膜的化学成分
(a)拉曼光谱和(b)与PDA/聚己内酯纤维膜的相应水滴图像的接触角
信用:NPG亚洲物资，doi: 10
1038/s 14427-019-0139-5 材料科学家将合成GTR材料分为两大类:(1)生物可吸收材料和(2)不可吸收材料；其中在通过第二次手术植入后必须除去不可吸收的材料，导致增加的医疗费用，同时损害新生成的组织
相比之下，生物可降解膜如聚乙烯醇(聚乙烯醇)、聚(丙交酯-乙交酯)(PLGA)或聚己内酯是临床植入的首选，尽管生物并发症严重阻碍了它们的临床应用
因此，在目前的工作中，邓等人
使用从贻贝分泌的生物感应粘附蛋白作为“材料无关”和容易的表面涂层，基于儿茶酚化学的工程策略
聚多巴胺(PDA)作为一种纳米级生物材料涂层，可以促进干细胞在多种基质上的成骨分化，支持间充质干细胞的附着并诱导人体体细胞的重编程
然而，PDA纳米层可以很容易地从表面分层，以诱导局部细胞凋亡或炎症反应作为副作用
邓等
实施具体的实验步骤，以克服现有的限制，并在实验室开发一种新的生物相容性和可生物降解的膜
新设计的生物材料或纤维膜将提供一个有利的位置来引导局部干细胞的命运，以形成骨再生的成骨细胞
第一步:用静电纺丝法制造含PDA的聚己内酯(PDA/聚己内酯) 科学家使用儿茶酚化学用于PDA/聚己内酯纤维膜的制造和合成
他们通过连续超声和涡流将PDA纳米粒子均匀分散在聚己内酯中，通过静电纺丝形成纤维膜
邓等
使用扫描电子显微镜(SEM)观察随机微米级纤维网络的表面性质
相比之下，纯聚己内酯电纺膜保持光滑，而PDA纳米粒子的整合使纤维表面粗糙
科学家们使用拉曼光谱和x光电子能谱分析证实了新的表面化学
生物材料是亲水的，允许蛋白质吸附和细胞附着
研究人员进行了接触角测量，以验证与纯的、未改性的聚己内酯膜相比，PDA改性后的表面润湿性和改善的亲水性
顶部:骨样结节形成
在SBF浸泡7天和14天后获得的PDA/多氯联苯纤维膜的扫描电镜照片
PDA/多氯联苯纤维膜表面颗粒沉积物的能谱数据和钙磷比，14天
底部:细胞附着和增殖
(1)扫描电子显微镜和CLSM显微镜观察不同PDA中性粒细胞浓度的人工纤维膜在6小时和12小时的黏附
红色箭头指向伪足
(b)右上角的插页显示了单个单元格的放大图像
(3)细胞附着和(4)通过CCK-8获得的样品表面上高迁移率族干细胞的增殖曲线
*代表损益。 0
05组之间，**代表p <。 0
01组间；#代表p <。 0
05与其他组相比
信用:NPG亚洲物资，doi: 10
1038/s 14427-019-0139-5 第二步:表面表征研究 由于生物活性膜可以与周围的骨组织(骨组织)结合，邓等
评估浸泡在模拟体液(SBF)溶液中的生物材料表面上骨磷灰石层的形成
浸泡7天后，科学家们观察到day聚己内酯膜上聚集的结节状聚集体，在第14天显著增加
相比之下，原始未改性五氯苯酚的对照样品在第7天保留了钙-磷沉积物，在第14天保留了磷灰石岛
因此，随着PDA含量的增加，沉积在表面上的磷灰石的量增加
邓等
使用材料特性数据来验证与纯聚己内酯对照相比，PDA/聚己内酯膜的体外生物活性增强
第三步:生物功能化研究 科学家们评估了工程PDA/聚己内酯膜与细胞粘附、扩散和人类间充质干细胞增殖相关的细胞相容性(细胞生物相容性)
骨髓间充质干细胞主要存在于骨髓中，在损伤过程中帮助组织修复
细胞培养6小时后，圆形细胞形态的人骨髓间充质干细胞不能很好地粘附在纯的多囊卵巢综合征上，但在三种不同的PDA/多囊卵巢综合征膜上表达膜表面附着的丝状体
利用细胞计数实验和细胞活力CCK-8测定，邓等
显示PDA纳米粒子的含量显著影响附着在表面上的活细胞的数量，并且在工作中观察到具有2% PDA/聚己内酯组的最佳表面性质
研究小组通过茜素红染色测定骨基质干细胞的碱性磷酸酶活性和钙基质生成，确定了用于引导骨组织再生的工程PDA/聚己内酯膜的最佳配方
当PDA纳米粒子的量高或低时，细胞生长和成骨分化低，因为低浓度不会触发细胞生长，而在研究中高浓度是有毒的
成骨分化:碱性磷酸酶活性的a、b染色和定量，钙生成的c、d染色和定量，不同PDA/前胶原纤维膜上骨特异性基因的逆转录聚合酶链反应分析
*代表p <。 0
05组之间，* *代表p <。 0
01组间
#代表p <。 0
05与其他组相比，##代表p & lt 0
05与其他组相比
信用:NPG亚洲物资，doi: 10
1038/s 14427-019-0139-5 由于分子水平的研究是生物工程生物材料的有力工具，邓等
使用分子工具研究了人胚胎干细胞和工程膜之间的相互作用
为此，他们监测了膜上培养的骨髓间充质干细胞中成骨相关基因碱性磷酸酶、Runx2、Col1a1和OPN的表达
在第7天，他们观察到在2% PDA/五氯苯酚样品上碱性磷酸酶基因表达的显著水平
到第14天，在1%和2%的day多囊卵巢综合征组中表达的Runx2基因水平显著高于纯多囊卵巢综合征组
然而，到了第21天，科学家们没有观察到四组之间的明显差异
他们使用免疫荧光染色验证了观察结果，并选择了2% PDA/聚己内酯膜来最佳诱导骨髓间充质干细胞分化为成熟成骨细胞
第四步:翻译学习 在体外实验数据的指导下，邓等
使用动物模型研究微纤维膜的体内生物功能
为此，他们在小鼠头骨上制造了临界尺寸的骨缺损，并放置纤维膜来覆盖缺损，随后使用显微计算机断层扫描(micro-CT)、组织学分析和荧光标记进行骨形成测试；植入后4到8周
当他们检查微型计算机断层扫描颅骨的三维图像时，2%的PDA/聚己内酯膜提供了最大面积的新骨形成，并向骨缺损的中心大量扩展
科学家们在2%的PDA/聚己内酯膜中获得了更高含量的钙化基质和骨重塑，以实现显著的骨传导整合
左:PDA/聚己内酯纤维膜的体内评价
术后8周全颅骨三维显微计算机断层扫描图像重建
第4周和第8周新骨面积的量化
从4和8周后的显微计算机断层扫描数据中分析的缺损的显微计算机断层扫描图像和膜植入物的骨组织形态计量
*代表p <。 0
05组之间，和& amp代表p <。 0
05与其他组相比
右:组织学和免疫组织学分析仅针对颅骨缺损和植入后4周和8周用聚己内酯和2% PDA/聚己内酯纤维膜植入的缺损的切片的组织学和免疫组织学分析:(1)H & amp；染色，(乙)马森染色，(丙)甲苯胺蓝染色，(丁)OCN免疫组织化学染色
HB宿主骨；CT结缔组织；NB新形成的骨骼
a–c中的红色箭头指向血管
信用:NPG亚洲物资，doi: 10
1038/s 14427-019-0139-5 苏木精和伊红染色显示，在多囊卵巢综合征组的骨腔中有纤维组织，在2% PDA/多囊卵巢综合征组中有相对明显的骨重组
科学家还观察到，在术后8周，2%的PDA组/后成纤维细胞组的骨具有丰富的血管形成
他们进一步用马森染色、甲苯胺蓝和免疫组织化学(IHC)染色来确定新骨和胶原的深度形成
综合组织学数据显示，在工程纤维膜中使用PDA神经肽显著促进骨再生，支持体外骨分化在体内也有效的假设
通过这种方法，易登和他的同事们将PDA纳米粒子与一种生物惰性合成聚合物进行生物工程化共纺，构建了生物惰性的、柔性的、促进骨生长的PDA/聚己内酯纤维膜，用于骨组织工程在再生医学中的应用
复合材料中包含的PDA纳米粒子的量显著改善了所开发的膜的化学组成、纤维尺寸和机械性能
体外实验和体内数据均验证了与纯聚己内酯相比，2% PDA/聚己内酯构建体的新骨形成能力
工程化的聚己内酯/PDA膜具有骨传导性，易于移植，在GTR有很大的应用潜力
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