同济大学王佐林/中国科大俞书宏院士合作AM：生物启发纳米复合膜，破解骨再生难题

在组织工程领域，引导骨再生（GBR）技术面临多维挑战。临床中，GBR膜需兼具相互矛盾的性能：既需高强度抵抗外力，又需高柔韧性贴合骨脊；既需致密结构阻隔软组织侵入，又需允许体液渗透输送营养；还需同时促进骨细胞增殖并杀灭细菌。目前主流商用胶原膜（如Geistlich Bio-Gide）机械性能有限且缺乏抗菌能力，易术后破裂或感染；钛网虽增强机械强度，但不可降解且二次手术风险高。其他合成膜也未能协同解决这些矛盾需求，成为骨再生领域的核心难题。

同济大学王佐林教授和中国科学技术大学俞书宏院士、陈思铭特聘副研究员合作受自然界珍珠母（间断“砖-泥”结构）和布利冈（螺旋纤维排列）启发，通过结构设计与组分调控，开发出多功能仿生Janus纳米复合膜（d-BLG）。该膜集“矛”（主动进攻）与“盾”（被动防御）于一体：作为“矛”，其高韧性主动适应骨脊，捕获水分子驱动成骨表达并杀灭细菌；作为“盾”，其高强度被动抵抗外力，维持结构完整性作为细胞增殖屏障。该膜采用温和高效的液相滑动剪切法制备，具备可规模化潜力，为生物材料设计提供新范式。

d-BLG膜耦合珍珠母的间断矿物排列与布利冈的螺旋纤维结构（图1A），以硅钙石（CaSi）和银（Ag）纳米纤维为无机单元，海藻酸钠（SA）和丝素蛋白（SF）为有机基质。其功能可概括为“矛与盾合一”（图1B）：高韧性贴合骨脊（矛）、高强度抵御外力（盾）、致密结构维持屏障（盾），同时亲水基团主动捕获水分（矛）、银离子杀菌（矛）、粗糙面促进细胞附着（盾）。

图1：设计理念与功能整合

通过滑动剪切法调控纤维取向角（20°），成功构建有序单向（UD）与螺旋d-BLG结构（图2A-F）。扫描电镜（SEM）和三维显微镜显示，d-BLG膜呈现Janus特性：接触刷子的粗糙面与接触热基板的平滑面形成双面异质结构（图2G-J）。该方法无需复杂化学添加剂或昂贵设备，突破传统Janus膜制备局限。

图2：结构表征与Janus特性

d-BLG膜在弱酸性（pH=6，模拟炎症环境）下释放Ca²⁺，触发SA二次交联以稳定结构，并将pH逆转至弱碱性（pH=8.49），抑制细菌并促进成骨（图3A-D）。膜降解21天后质量保留率超60%（图3F），屏障功能显著优于商用胶原膜（图3G）。亲水性方面，SF的氨基/羟基基团提升表面亲水能力，30秒内接触角降至15.95°（图3H），2小时吸水率达92%（图3I），且溶胀行为可控。

图3：稳定性与亲水性协同

d-BLG膜在湿润状态下展现优异机械性能：拉伸强度（12.43±0.76 MPa）、断裂伸长率（106.80±4.10%）与韧性（6.70±0.63 MJ/m³）均超越对照组（图4D-G）。其布利冈结构通过裂纹扭转和纤维桥联耗散能量（图4J），分子动力学模拟证实螺旋结构能阻隔水渗透（图4K），湿态强度比单向结构提高20%。临床模拟试验中，膜可折叠、缝合且贴合复杂曲面（图4A-C），穿刺力达3.34±0.27 N（图4I），满足手术操作需求。

图4：湿态高强度与高韧性耦合

d-BLG通过“渐进机制”杀菌：平滑面减少细菌黏附，释放的银离子（Ag⁺）杀灭游离/附着菌（图5A）。当CaSi:Ag=5:5时，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效率>96%（图5C,D,F,G），细菌形态显著皱缩（图5B），24小时抑菌率接近100%（图5E,H）。

图5：抗菌与生物相容性平衡

大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）在d-BLG膜上增殖良好（图6A-B），粗糙面促进细胞伸展（图6C）。成骨分化实验显示，d-BLG组的碱性磷酸酶（ALP）活性、钙结节沉积（图6D）及成骨基因（ALP/RUNX2/OCN/Col1）表达均显著提升（图6E），归因于Ca²⁺释放与表面拓扑结构协同作用（图6F）。

图6：成骨活性验证

在大鼠颅骨缺损模型（正常/感染环境）中，植入8周后，d-BLG组新生骨体积（BV/TV）显著高于对照组（图7B-E）。组织学显示，d-BLG组缺损区形成均匀成熟骨组织，而Bio-Gide组仅有零星新骨与纤维组织（图7F-G）。在感染模型中，d-BLG仍维持优异成骨能力，证实其抗感染屏障功能。

图7：动物实验疗效

总结与展望

d-BLG膜通过仿生多级结构设计与组分调控，首次实现“矛与盾”功能的协同：以布利冈结构耦合高强高韧，以Janus界面平衡屏障与渗透，以无机-有机组分整合抗菌与成骨。其温和、可规模化的液相滑动剪切制备工艺，为功能性生物材料开发提供新思路。该研究不仅为复杂临床环境下的骨再生提供突破性解决方案，亦为组织工程领域矛盾性能的协同设计开辟新路径。

来源：高分子科学前沿

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