由创伤和退行性疾病等原因引起的骨缺损是临床上常见的问题，尤其是当缺损超过临界尺度后往往难以自愈。骨愈合是一个复杂的级联过程，主要包括炎症、骨形成和骨重塑阶段。目前，自体骨或异体骨移植是治疗骨缺损的金标准，但是它们仍然存在着骨供应有限、免疫排斥和严重的并发症等问题。因此，为了寻找更可靠的治疗方法，人工骨支架得以发展。然而，大多数人工骨支架缺乏功能整合且未能充分利用骨愈合机制进行针对性的骨修复。此外，研究者们在人工骨支架的开发上投入了大量的精力，而忽视了骨膜的功能作用，导致骨愈合效果有限。

天然骨膜具有促成骨和促血管生成等特性，在骨再生中发挥关键作用。目前有少量关于细胞膜片、细胞外基质支架、胶原膜等人工骨膜的研究报道。然而这些人工骨膜的功能有限，且无法对骨愈合不同阶段进行针对性修复，影响了其在骨缺损修复中的应用效果。

近日，福州大学杨建民教授和石贤爱教授团队在前期非对称医用材料研究基础上，通过模拟天然骨膜的结构和功能，开发了一种多药剂可控释放的非对称静电纺丝仿生骨膜（Bilayer-DFO/ASP/Si），用于程序性治疗骨缺损。该研究采用定向静电纺丝技术制备定向排列的电纺聚(ε-己内酯)/明胶/去铁胺（PCL/GEL/DFO）纤维层模拟天然骨膜的外纤维层；采用同轴静电纺丝技术制备随机排列的核壳结构纤维以模拟骨膜内形成层，其中聚(ε-己内酯)/明胶/阿司匹林（PCL/GEL/ASP）为外壳，聚(ε-己内酯)/纳米二氧化硅颗粒（PCL/SiNPs）为核芯。该非对称仿生骨膜能够控制ASP、DFO和SiNPs的程序性释放，从而精确调节骨修复过程中的炎症、血管再生和骨再生阶段。

相关研究内容以“Electrospun biomimetic periosteum capable of controlled release of multiple agents for programmed promoting bone regeneration”为题目发表在期刊《Advanced Healthcare Materials》上。课题组硕士生赵星凯同学为论文的第一作者，杨建民教授和石贤爱教授为论文的共同通讯作者。

图1仿生骨膜复合材料的制备及促进骨再生原理图。

该仿生骨膜内外层的纳米纤维均匀光滑，无串珠结构。其中外层表现出高度对齐的结构，而内层纤维随机排列并且显示出明显的核壳结构。此外，仿生骨膜具有非对称粗糙性。该仿生骨膜具有较高的拉伸强度（7.7 ± 1.0 MPa）和断裂伸长率（171.3% ± 8.4%），从而为骨缺损提供良好的机械支持和保护。仿生骨膜高孔隙率和吸水性可以促进营养物质和活性物质的运输。同时，仿生骨膜缓慢的降解性能可以与骨再生相匹配。此外，仿生骨膜能够程序性释放ASP、DFO和SiNPs。其中，骨缺损初期ASP的快速释放有助于抑制炎症，DFO的缓慢释放能够促进血管生成，而SiNPs作为成骨骨化中心可以持续释放数周从而促进成骨。

图2仿生骨膜结构与形貌。

该仿生骨膜具有良好的细胞相容性和血液相容性，并且能够促进细胞粘附和增殖。其中，外层纤维可以引导细胞定向生长，内层纤维表面细胞向四周延伸。此外，仿生骨膜具有良好的屏障性能，能够防止骨缺损外部非骨组织侵入缺损处从而影响愈合效果。特别是，仿生骨膜能够促进血管内皮细胞（HUVEC）的横向和纵向迁移，并且通过诱导巨噬细胞（RAW264.7）极化促进HUVEC迁移。同时，仿生骨膜显著促进了血管网络的形成。值得注意的是，仿生骨膜通过显著促进VEGF的表达从而刺激血管生成。

图3仿生骨膜的细胞粘附和生长情况。

碱性磷酸酶（ALP）活性是早期成骨的生物标志物。研究发现，仿生骨膜相较于其他组显示出最高的ALP水平。钙盐沉积和骨基质矿化是骨形成的重要阶段。结果显示，仿生骨膜显著促进了细胞外基质中钙结节的形成。此外，仿生骨膜显著提高了成骨相关基因如缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）、I型胶原（COL I）、骨钙素（OCN）、RUNT相关转录因子2（RUNX2）和骨桥蛋白（OPN）的表达。

图4仿生骨膜的促体外成骨性能。

最后，构建了SD大鼠颅骨缺损模型以验证仿生骨膜的体内促骨再生效果。结果表明，该仿生骨膜表现出更好的修复效果，新骨组织形成更多，骨组织厚度更高，成熟骨也更多，表现出更高效的骨缺损再生能力。同时，仿生骨膜组中的骨体积分数（BV/TV）、骨密度（BMD）和骨小梁数（Tb.N）指标均显著高于其他组。此外，商业胶原膜在4周内降解完全，而仿生骨膜仍维持纤维膜结构完整。进一步对骨组织进行组织学分析发现，仿生骨膜具有程序性抗炎、促血管生成、促骨再生、抑制破骨以及促骨膜再生的作用。此外，与商用胶原膜相比，该仿生骨膜通过模拟天然骨膜的结构和功能，并且控制多药剂程序性释放，从而更长效地协同治疗骨缺损。

图5仿生骨膜体内骨修复评估。

该研究通过将多种药剂整合到电纺非对称双层膜中用于骨愈合的各个阶段，同时模拟了天然骨膜的结构和功能，为骨再生提供了一种新的思路。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202303134

人物简介

杨建民教授：福州大学旗山学者，福建省海外引进高层次人才，福建省医疗器械和医药技术重点实验室成员，科技部健康医疗器械国际科技合作基地成员。博士毕业于日本东京都立大学（Tokyo Metropolitan University），随后在日本国立物质材料研究所（National Institute for Materials Science, NIMS）陈国平教授课题组从事博士后研究，2017年入职福州大学。研究兴趣主要包括生物医学材料，细胞治疗，医疗器械研发等，相关研究成果在Adv Funct Mater，Biomaterials，Acta Biomater，Adv Healthc Mater等期刊上发表学术论文50余篇，授权发明专利7项。主持国家自然科学基金、省自然科学基金、校人才启动基金等项目，并承担多个企业合作课题。

石贤爱教授：福州大学生物科学与工程学院副院长，美国农业部东部研究中心高级访问学者，福建省科技重大专项“海洋生物资源高值化利用技术研究”首席专家，福州市十四五生物医药战略性新兴产业集群建设方案撰写组组长，福建省政府研究发展中心、福建省发改委、福建省科技厅、福建省工信厅生物医药领域咨询专家，福建省生物工程学会、福建省生物医学工程学会常务理事。主持福建省科技重大专项，国家海洋公益性行业科研专项子任务等20多项纵向和横向课题。参编高等教育出版社和科学出版社生物工程专业规划教材2部，发表SCI/EI收录论文150余篇，获授权发明专利30余件，研究成果已在8家企业应用，获5项福建省科学技术奖。目前担任福建省医疗器械与医药技术重点实验室副主任，先进生物材料研究方向学术带头人，开展慢性难愈性创面修复材料研究与医疗器械转化。