亞環(huán)境溫度電沉積法組裝Janus多孔生物材料

文獻(xiàn)信息

近日，華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院超細(xì)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料生物學(xué)與動(dòng)態(tài)化學(xué)前沿科學(xué)中心等團(tuán)隊(duì)的研究成果“Single Step Assembly of Janus Porous Biomaterial by Sub-Ambient Temperature Electrodeposition（亞室溫環(huán)境下一步實(shí)現(xiàn)電化學(xué)組裝Janus多孔生物材料）在雜志《Small》（IF：15.153）上發(fā)表。平生公司桌面型CT（VENUS）在論文中提供了重要的大鼠顱骨缺損圖像和定量分析。

該研究的通訊作者為劉昌勝院士和屈雪教授，第一作者為博士后雷淼和碩士研究生廖海濤。

文獻(xiàn)摘要

Janus多孔生物材料正受到越來(lái)越多的關(guān)注，人們正在努力開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、快速和可擴(kuò)展的方法，能夠調(diào)整微觀和宏觀結(jié)構(gòu)。本文報(bào)道了一種用氨基多糖殼聚糖電沉積法制備Janus多孔膜的單步制備方法。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電沉積在亞環(huán)境溫度(0-5℃)下進(jìn)行時(shí)，會(huì)自發(fā)產(chǎn)生Janus結(jié)構(gòu)。

亞環(huán)境溫度電沉積實(shí)驗(yàn)表明:出現(xiàn)了Janus微觀結(jié)構(gòu)(可能是負(fù)責(zé)自組裝的分子間相互作用發(fā)生微妙變化的結(jié)果);重要的微觀結(jié)構(gòu)特征(孔徑、孔隙率和厚度)可以根據(jù)條件調(diào)整;這種方法易于擴(kuò)展(相對(duì)于串行打印)，可以生成具有Janus面的復(fù)雜管狀結(jié)構(gòu)。體外研究證明了各向異性的細(xì)胞引導(dǎo)，而使用大鼠顱骨缺損模型的體內(nèi)研究進(jìn)一步證實(shí)了這種Janus多孔膜對(duì)引導(dǎo)骨再生的有益特性。

綜上所述，這些結(jié)果進(jìn)一步證明了電子制造技術(shù)為再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的軟物質(zhì)控制功能結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單和可擴(kuò)展的平臺(tái)技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)方法

所有步驟均獲得華東理工大學(xué)動(dòng)物研究生物倫理委員會(huì)(ECUST-2022-048)批準(zhǔn)。采用顱骨缺損模型對(duì)18只雄性SD大鼠(8周，平均體重約250g)進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)。這些動(dòng)物通過(guò)腹腔注射舒泰50麻醉，在無(wú)菌條件下使用環(huán)鉆在雙側(cè)顱骨上造出兩個(gè)直徑為5mm的缺損。36個(gè)缺損均分為3組:無(wú)膜覆蓋組(n=12)、有ETroom-Chit覆蓋組(n=12)和ET_Sa-Chit覆蓋組(n=12)，分別于術(shù)后4周、8周和12周處死。行Micro-CT觀察新生骨再生情況，切片厚度37 mm，閾值294的Micro-CT系統(tǒng)(Venus，平生醫(yī)療科技有限公司)掃描標(biāo)本。然后，使用重建分析軟件avatar(平生醫(yī)療科技有限公司)進(jìn)行三維組織形態(tài)學(xué)分析。骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)、骨小梁數(shù)量(Tb。Th)和骨密度(BMD)。組織學(xué)觀察:顱骨先固定于10%中性甲醛溶液中，脫鈣后石蠟包埋。石蠟切片用蘇木精-伊紅染色和馬松染色，然后用光學(xué)顯微鏡觀察。使用圖像分析系統(tǒng)(image Pro 5.0, Media cybertic, Silver Springs, MD)對(duì)新形成骨面積的測(cè)量進(jìn)行量化。統(tǒng)計(jì)分析:所有數(shù)據(jù)用平均標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示，并采用單因素方差分析和事后檢驗(yàn)。顯著性設(shè)為p < 0.05 (***p < 0.001， **p < 0.01， *p < 0.05)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用18只大鼠顱骨缺損模型評(píng)估了Janus多孔膜在體內(nèi)引導(dǎo)的骨再生能力。在本研究中，作者在這些動(dòng)物的頭骨中制造了兩個(gè)臨界尺寸的缺陷(5mm)，并用相同的方法處理每只動(dòng)物的缺陷。在這些缺陷形成后，植入不同的薄膜以覆蓋缺陷，并將結(jié)果與“無(wú)膜對(duì)照組”進(jìn)行比較，如圖5a所示。在本試驗(yàn)中，作者選擇ETsa-Chit膜(6.67 mA cm^-2, 1000 s，致密層≈50 μ m，多孔層≈100 μ m)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)ぃ�因�(yàn)轶w外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它具有GBR所需的雙重功能:作為成纖維細(xì)胞入侵的屏障(與致密層相關(guān))，并允許成骨細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)(與多孔層相關(guān))。缺乏多孔層的ET_Room-chit膜對(duì)照可以評(píng)估多孔層對(duì)骨再生的重要性。所有的程序都經(jīng)過(guò)了動(dòng)物研究委員會(huì)的批準(zhǔn)。

術(shù)后4周、8周和12周處死動(dòng)物，進(jìn)行高分辨率顯微CT掃描（VENUS，平生醫(yī)療科技有限公司），觀察新骨形成的動(dòng)態(tài)(圖5b顯示了各組在三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的代表性圖像)。12周內(nèi)各組均可見(jiàn)新生骨再生(左側(cè)和右側(cè)分別用綠色和藍(lán)色標(biāo)記新生骨)，但三組間新生組織的程度和再生率不同。兩組覆膜的顱骨缺損術(shù)后新生骨組織較“無(wú)膜對(duì)照組”多。從Micro-CT的頂部和橫斷面視圖可以觀察到，在愈合周期中，覆蓋Janus多孔結(jié)構(gòu)ETsa-Chit膜組的骨再生速度略快于覆蓋ET_Room-Chit膜組。術(shù)后12周，ET_Room-Chit膜覆蓋組左側(cè)骨缺損(綠色標(biāo)記)基本完全恢復(fù)，而ET_Room-Chit膜覆蓋組兩側(cè)仍有部分缺損。顯微CT定量形態(tài)學(xué)分析表明，不同的形態(tài)學(xué)指標(biāo)覆膜組和覆膜組的新生骨在各時(shí)間點(diǎn)均明顯高于未覆膜組。其中，小梁骨體積/總?cè)莘e比(Tb.12周時(shí)，ETsa-Chit組的BV/TV(0.33±0.05)高于ET_Room-Chit組的(0.24±0.05)(p < 0.05)(圖5c)。此外，骨小梁骨密度(Tb.ETsa-Chit組新生骨BMD(1.29±0.01g cm^-3)略高于ET_Room-chit組(1.22±0.04 g cm^-3)(圖5d)。小梁厚度的比較(Tb.Th)顯示了類(lèi)似的趨勢(shì)(圖5e)。

Janus多孔ETsa-Chit膜引導(dǎo)骨再生的評(píng)價(jià)。a)圖解圖像顯示手術(shù)放置不同的薄膜材料(ET_Room -chit和ETsa-Chit薄膜)在大鼠顱骨缺損處和未放置薄膜的缺損處作為對(duì)照組;b)術(shù)后4周、8周、12周拍攝的治療后顱骨缺損的顯微CT成像;c)小梁骨體積與組織體積之比(Tb.BV/TV);d)骨小梁骨密度(Tb.BMD) e)小梁厚度(Tb.Th)通過(guò)形態(tài)計(jì)量分析進(jìn)行評(píng)價(jià)。

使用設(shè)備

Micro CT（型號(hào)：VENUS）（平生醫(yī)療科技）

影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）