硬脊膜（spinal dura mater）是保護脊髓、防止腦脊液泄漏和硬膜外粘連的關鍵組織。然而，在脊柱手術和神經外科手術中，硬脊膜損傷導致腦脊液泄漏是常見的術后并發(fā)癥，發(fā)生率高達4%至32%。目前，臨床上用于硬脊膜修復的材料存在諸多局限性，如來源有限、降解速率與組織再生不匹配、易引發(fā)炎癥和硬膜外粘連等。因此，開發(fā)一種力學特性適宜、且既能促進硬膜再生又能抑制硬膜外粘連的新材料，一直是該領域的研究熱點。近日，北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院、生物力學與力學生物學教育部重點實驗室、北京生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心樊瑜波教授、李曉明教授和李林昊副教授團隊，在著名綜合性期刊《Nature Communications》上發(fā)表了新型硬脊膜修復材料的最新成果“Janus decellularized membrane with anisotropic cell guidance and anti-adhesion silk-based coatings for spinalduralrepair”。樊瑜波教授、李曉明教授和李林昊副教授為該文的共同通訊作者，生醫(yī)學院博士研究生畢雪薇（目前為北京大學材料學院博士后）和北航材料學院博士研究生毛智南（目前為香港中文大學博士后）為該論文的共同第一作者，北京航空航天大學為第一完成單位。

該研究開發(fā)了一種新型的Janus小腸黏膜下層（SIS）膜材料，通過在SIS表面涂覆絲素基水凝膠涂層，實現了對硬脊膜修復和防止硬膜外粘連的雙重功能：內層絲素蛋白（SF）和甲基丙烯?；z素蛋白（SilMA）復合（SFMA）微溝槽涂層可引導細胞定向生長，促進硬脊膜再生；外層的甲基丙烯?；该髻|酸（HAMA）和SilMA復合涂層則能有效抵抗蛋白吸附和細胞粘附，抑制硬膜外纖維化粘連（圖1）。

圖1.硬脊膜再生的Janus小腸黏膜下層（SIS）膜的設計與制備

該研究為了使SFMA微槽涂層吸水后結構穩(wěn)定，利用了水蒸汽熱處理工藝。如圖2所示，與未處理的微槽涂層相比，經過水蒸汽處理后的SFMA微槽涂層的二級結構發(fā)生變化，進而導致其力學和結構穩(wěn)定性有顯著提升。

圖2.水蒸汽退火提高了SFMA微槽涂層的力學性能和結構穩(wěn)定性

該研究進一步研究了SFMA微槽涂層與SIS底物的截面結合力和穩(wěn)定性。如圖3所示，SFMA微槽涂層和SFMA改性SIS基底之間的結合強度最大，同時，水蒸汽退火后的SFMA微槽涂層與未經處理的涂層相比，其結合強度有所提高。這些結果表明，光固化反應的共價鍵和水蒸汽處理介導的β-折疊物理相互作用協(xié)同提高了SFMA微槽涂層和SIS基底之間的界面結合強度。

圖3.光固化和水蒸汽退火處理增強了SFMA微槽涂層和SIS基底之間的界面結合強度

通過SD大鼠皮下模型驗證了微溝槽的穩(wěn)定性以及與組織整合情況，如圖4所示，在植入后28天，微溝槽的結構開始崩解，這表明SFMA微溝槽已經發(fā)生了生物降解。此外，大量宿主細胞分布在微溝槽內，且SFMA微溝槽表面和SFMA-SIS表面均顯示出類似的纖維囊形成，這表明微溝槽涂層與宿主組織整合良好。此外，SFMA微溝槽表面和SFMA-SIS表面均以Arg-1陽性巨噬細胞為主，這表明SFMA微溝槽涂層類似于生物活性SIS膜，能夠促進巨噬細胞向M2表型極化。

圖4.SFMA微溝槽涂層與宿主組織整合良好，并促進了M2型巨噬細胞極化

組織學評估顯示（圖5），在植入14天后，HAMA-SilMA涂層表面作為保護性屏障，與宿主組織明顯分離，并有效阻止了宿主細胞和組織的侵入，從而減少組織粘連的程度。HAMA-SilMA側的巨噬細胞顯示出更高的M1表型，然而，與SFMA-SIS側相比，HAMA-SilMA側顯示出更薄的纖維囊和更低的α-SMA陽性成纖維細胞表達。

圖5.HAMA-SilMA涂層抑制了組織內生長，并減輕了纖維化形成

該研究采用椎板切除術模型來制造硬脊膜缺損，以評估Janus SIS膜在體內的治療效果（圖6）。從脊髓組織的宏觀圖像可以看出Janus涂層組的外觀與天然硬脊膜相似。同時通過H&E染色和Masson三色染色可以看出Janus SIS組的硬膜缺損區(qū)域觀察到連續(xù)的新生成膠原組織，與正常硬膜組織高度相似。磁共振成像（MRI）結果表明術后8周Janus SIS顯示出脊髓與硬脊膜外組織之間更清晰的邊界。α-SMA和膠原蛋白I的免疫熒光染色進一步評估硬膜外纖維化粘連，與SIS組相比，Janus SIS組硬膜外組織中的α-SMA陽性細胞數量更少；對照組硬膜外區(qū)域被廣泛密集的膠原蛋白I占據，而植入SIS和Janus SIS的組中膠原蛋白I的表達顯著降低。

圖6.在大鼠脊髓硬膜缺損模型中，Janus SIS膜顯著增強了硬膜的原位再生

綜上所述，本研究不僅為硬脊膜修復提供了一種全新的生物材料解決方案，還為開發(fā)具有仿生結構和功能的Janus材料提供了新的思路。這種新型Janus膜材料的設計理念和制備方法，有望在其他軟組織修復領域得到廣泛應用，為臨床治療提供更有效、更安全的材料選擇。

該研究得到了國家自然科學基金（T2288101, 11827803,12332019, 32371405, 32171345和32201114）等基金的支持。