通過多巴胺生物粘附技術制備一種含有促進骨愈合細胞因子和細菌纖維素（BC）的小腸黏膜下層（SIS）復合骨支架，并對其生物性能進行評估
《Materials Chemistry and Physics》：Fabrication and biological properties evaluation of a small intestine submucosa (SIS) with intrinsic promoting bone healing cytokines/bacterial cellulose (BC) composite bone scaffold by polydopamine bioadhesion
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時間：2026年03月01日
來源：Materials Chemistry and Physics 4.7
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本研究通過多巴胺生物吸附技術制備SIS/BC復合骨 scaffold，有效改善細菌纖維素微孔結構，提升水分保持能力（濕態下機械性能提升）及抗菌活性，同時利用SIS中內源性生長因子（TGF-β、VEGF）促進細胞粘附增殖，為骨損傷修復提供新策略。
邊鐵榮|易博興|羅洪麗|邢紅云
中國瀘州西南醫科大學附屬醫院醫學實驗中心，646000
摘要
細胞因子調節多種細胞行為，包括增殖、遷移和分化，在促進新骨形成中起著關鍵作用。然而，將外源性細胞因子摻入骨支架中可能導致毒性、遺傳毒性和致突變性。本研究的目的是開發一種含有內源性細胞因子的骨支架，以促進術后骨骼愈合并防止感染。使用多巴胺（PDA）的生物粘附作用，將豬小腸黏膜下層（SIS）/細菌纖維素（BC）復合骨支架制備出來，使BC粉末粘附在SIS膜上。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）對支架進行了表征，并通過吸水與保水能力、礦化作用和機械性能評估方法對其性能進行了評價。研究結果表明，SIS/BC復合支架具有三維納米纖維網絡和多層次微米級孔結構。這種處理破壞了BC的受限微孔（阻礙了細胞滲透/代謝），并將復合支架的吸水能力提高了三倍，同時改善了其在濕潤狀態下的機械性能。PDA以及SIS中固有的抗菌肽賦予了復合支架抗菌活性。特別是，豬小腸黏膜下層中的細胞因子（如轉化生長因子-β（TGF-β）和血管內皮生長因子（VEGF）與PDA共同作用，促進了種子細胞的粘附和增殖。本文確定了復合支架促進細胞粘附和增殖的五條途徑，以及其四種抗菌機制。PDA生物粘附的SIS/BC復合支架為修復骨損傷提供了一種有前景的策略。
引言
全球約有17.1億人需要治療大型骨缺損，這是導致殘疾的主要原因[1]。傳統的骨移植方法存在固有的局限性，影響了治療效果并限制了臨床應用。然而，組織工程技術的最新進展提供了新的治療選擇。這些選擇使用天然材料，這些材料具有生物相容性、良好的功能化學性質、可生物降解性和成本效益，并且可以大規模生產。這些材料在應對這一臨床挑戰方面具有巨大潛力2, 3。
細菌纖維素（BC）具有類似于骨細胞外基質（ECM）的三維（3D）網絡結構，具有良好的生物相容性和血液相容性。它在濕潤條件下也具有優異的機械強度、低免疫原性以及高的吸水與保水能力，這些特性對于促進細胞生長至關重要[4]。值得注意的是，與大多數在濕潤狀態下機械強度下降的材料不同，BC在濕潤條件下表現出卓越的機械性能[5]。此外，BC可以用作仿生形成天然骨磷灰石的生物模板，后者具有天然的骨傳導性和骨整合性[6]。支架材料的骨傳導性為血管生長和新骨組織的形成提供了框架。骨整合對于確保支架與骨組織之間沒有纖維結締組織的形成至關重要，從而防止支架在植入后松動和失效[7]。然而，BC納米纖維膜網絡的小孔尺寸（0.02-5 μm）限制了細胞滲透和代謝[8]，并且BC缺乏抗菌性能，影響了其對感染的抵抗力，危及術后傷口愈合[9]。
豬小腸黏膜下層（SIS）膜主要由有序排列的I型膠原纖維組成，這種骨膠原有助于礦化并形成高強度結構10, 11，其三維納米網絡結構類似于骨ECM[12]。SIS含有抗菌肽，已被證明能有效抑制革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌的生長，從而降低細菌污染的風險[13]。除了抗菌活性外，SIS在人體內也是可生物降解的，其各種成分賦予了不同的生物活性。這些成分包括黏多糖、蛋白聚糖、糖蛋白、肝素、纖維連接蛋白以及多種功能性生長因子（如bFGF、EGF、TGF-β和VEGF），它們促進細胞粘附、增殖和分化，從而避免了外源性細胞因子的毒性風險14, 15, 16, 17, 18, 19。由于SIS的孔徑分布為20至30 μm，其膜結構有效改善了材料內部的氧氣和營養物質運輸條件，從而緩解了局部缺氧和營養限制。研究表明，氧氣供應不足會顯著限制細胞存活并誘導代謝抑制，而穩定的材料運輸環境有助于維持細胞功能并促進增殖[20]。動物和臨床研究均表明，完全無細胞的SIS不具有免疫原性，支持細胞生長、血管生成和組織再生[11]。此外，像BC一樣，SIS在模擬體液（SBF）中可以快速刺激透明質酸（HA）的合成[19]，增強了其骨再生潛力。然而，SIS在濕潤環境中的機械穩定性較差，降解會進一步降低其強度，這對承重骨支架來說是一個關鍵缺陷。
多巴胺（3,4-二羥基苯乙胺）具有類似貽貝蛋白的粘附特性，在堿性pH值下會發生自聚反應，在各種基底上通過兒茶酚和氨基之間的相互作用形成強粘附膜[21]。PDA具有出色的成膜性能，并且生物相容性好，不會影響細胞生長和分化。相反，PDA的抗菌和促進細胞生長的特性使其成為骨支架的理想材料22, 23。在本研究中，將BC粉末生物粘附在多巴胺涂層的SIS膜上，以破壞BC的受限微孔（0.02-5 μm），并解決其各自的局限性：BC的抗菌活性差和SIS在濕潤環境中的機械性能不穩定問題。我們評估了支架在濕潤狀態下的吸水與保水性能以及機械性能。含有內源性生長因子的SIS避免了與外源性細胞因子相關的風險。BC和SIS（兩者都是HA合成的模板）的結合有望協同增強骨支架的骨誘導性和骨整合潛力，支持其在骨替代材料中的應用。
部分內容
BC的制備
從上海 Hewu Biotechnology Co., Ltd.（中國上海）購買了Burkholderia xylosoxidans ATCC 53582菌株，在Hestrin-Schramm（HS）培養基中以8-10%的接種濃度（28 °C，8天）進行靜態發酵培養，以獲得BC納米纖維素膜。將BC納米纖維膜用0.1-0.5 mol/L的NaOH溶液在65-80 °C下處理1-2小時，以破壞細胞膜，獲得半透明、乳白色的BC膜。然后清洗這些膜
生物礦化前后復合支架的3D微觀結構、成分和形態
圖1顯示了生物礦化前后SIS/BC納米纖維復合骨支架的3D微觀結構、成分和形態。圖1A顯示了SIS/BC復合支架的SEM形態和孔徑分布，該支架具有三維納米纖維網絡和多層次微米級孔結構。與BC和SIS/BC支架（圖1A）相比，后者的孔徑范圍為0.5至2.5 μm，而復合骨支架的孔徑明顯更大（P < 0.05）。
結論
我們報告了一種環保、簡單且無需特殊設備的SIS/BC支架制備工藝。這種支架有效改善了BC纖維膜的微孔結構——這一問題此前阻礙了細胞滲透和代謝。模仿天然細胞外基質的3D納米纖維網絡，它具有優異的吸水與保水能力（比純SIS支架高三倍），同時保持了良好的機械性能
作者貢獻聲明
易博興：可視化、軟件處理、數據分析。邊鐵榮：撰寫初稿、資金獲取、概念構思。邢紅云：撰寫與編輯、驗證、項目管理、數據管理、概念構思。羅洪麗：軟件處理、方法設計、數據分析
數據可用性
本研究中使用和分析的數據集可應相應作者的要求提供。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文報告工作的財務利益或個人關系。
致謝
本工作得到了以下資金的支持：（1）四川省科技計劃（2022YFS0622）；（2）瀘州市科技項目（2023SYF131）；（3）西南醫科大學附屬醫院的博士研究啟動基金；（4）大學生創新創業培訓計劃（202310632051）
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