摘要

丝素蛋白作为支架材料广泛应用于骨修复，然而，其复杂的制造工艺限制了其更广泛的临床应用。资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室，西南大学桑蚕纺织和生物质学院代方银教授团队首次利用具有连续丝纤维、多孔层次结构和优越力学性能特征的平板丝（FSC）制备生物支架。通过聚多巴胺（PDA）的粘附作用介导镁离子（Mg2+）组装到FSC支架上，得到的TH-PDA@Mg支架显示出特殊的机械强度、优越的表面特性和优良的生物相容性，同时还展现出显著的免疫调节和成骨再生能力，在临床治疗骨缺损中具有广阔前景。

一、支架的制备及相关理化性能

使用三元溶液处理热压过的平板丝（FSC）表面，得到THFSC，再室温浸泡于含不同浓度硫酸镁的多巴胺溶液中24h，得到各组含镁样品，改性后的支架由白色变为深棕色（图a）。从应力-应变曲线（图d）可以看出，Mg2+加载后，支架力学性能得到提升。同时，支架的降解速率得到减缓，溶胀率提高，表明PDA的存在增强了支架的亲水性和结构稳定性（图e、图f、图h）。模拟体液SBF的生物矿化实验（图k）中，在TH-PDA和TH-PDA@Mg1组别的表面上观察到明显的磷灰石形成，表面修饰后促进羟基磷灰石（HA）形成的能力增强。这种HA层的有效形成可能基于SBF中离子和PDA中的儿茶酚胺基团之间存在强大的相互作用。

图1 支架的制备及相关理化性能

二、支架的细胞附着与毒性

细胞毒性试验（图a）表明，引入PDA后具有提升的细胞活力，适量加入Mg2+对于细胞活性也有提升。使用TH-PDA@Mg1作为支架组别，该组别活死染色（图b-f）展现出良好的生物相容性和最小的细胞毒性。从细胞在支架上的粘附情况（图g）可以看出，TH-PDA和TH-PDA@Mg1支架明显促进成骨细胞的粘附，表面细胞呈拉长和分散的状态，具有丝状伪足和片状伪足的延伸。这可能与支架表面结构变化及增强的细胞-物质相互作用有关。

图2 支架的细胞毒性与粘附

三、支架的体外成骨分化

TH-PDA@Mg1可显著促进体外成骨相关基因和骨相关蛋白的表达。ALP活性检测中只有TH-PDA@Mg1支架表现出更强烈的蓝色染色（图a），ALP定量结果（图b）同时反映了MC3T3- E1细胞中成骨细胞代谢活性的增强。ARS染色中（图c），TH-PDA@Mg1组表现出明显的代表钙质ars复合物的亮红色斑点，定量分析显示TH-PDA@Mg1组矿化结节形成明显增加（图d）。qRT-PCR结果反映TH-PDA@Mg1组中分化细胞的OPN、Runx- 2、氰酸盐和Col I的mRNA表达水平（图e-h）显著增加，这与镁离子可以通过激活典型的Wnt信号通路等原因来促进成骨分化有关。

图3 支架的体外成骨分化

四、支架的巨噬细胞极化

促进巨噬细胞从M1向M2表型极化，可能是促进骨缺损区骨形成的关键。除促进RAW246.7细胞增殖（图a）外，TH-PDA@Mg1组与M2相关的MRC-1染色强度最为显著，与M1相关的iNOS较弱，证实了TH-PDA@Mg1能有效诱导巨噬细胞向M2表型极化。结合HFSC和THFSC组染色结果，表明SF、PDA 和镁离子再加速巨噬细胞向M2表型转化过程中发挥协同作用。

图4 支架的巨噬细胞极化

五、支架的大鼠颅骨缺损体内修复效果

对SD大鼠颅骨缺损用THPDA@Mg1复合多孔支架、THFSC支架填充，对6周和12周的颅骨进行显微ct和免疫组化分析。显微ct图像（图b）显示，在第12周时，TH-PDA@Mg1支架上新形成的骨组织分布较其他两组更明显，表现出更优越的新骨形成和增强的成骨性能。图c中通过HE和Masson染色确定新骨的形成来评估骨的成熟度，术后12周，纤维组织厚度较6周增加，TH-PDA@Mg1处理组的新骨形成明显增加；同时，在HE染色的切片中未观察到局部炎症细胞，表明支架具有良好的组织相容性。

图5 支架的大鼠颅骨缺损体内修复效果

结论

该研究团队通过将FSC与PDA和Mg2+集成用于骨缺损修复，开发了一种具有良好生物相容性的多功能复合支架。该方案简化了丝素蛋白材料制备流程并降低成本，PDA和Mg2+的掺入显著增强了MC3T3-E1细胞的增殖、迁移和成骨分化。TH-PDA@Mg1支架还促进了巨噬细胞从M1促炎表型向M2促重构表型的转化，在颅骨缺损模型中表现出优越的骨修复效果。具有促进成骨细胞增殖和分化、巨噬细胞极化和体内血管化等优点，表明材料在一系列的骨科应用中具有巨大的潜力，除应对不同大小的骨缺损以外，还可用于治疗炎症性骨病或促进伤口愈合。未来将这种支架与药物传递系统或生长因子结合，可以实现靶向治疗，并进一步提高其再生潜力。目前的研究证明了基于FSC的支架的成骨和免疫调节潜力，未来的工作应集中于改进FSC支架制造工艺，同时优化其制备方法，阐明其作用机制，并探索高价值利用和大规模采用的多功能应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1088/2752-5724/ad9e09

通讯作者简介

代方银，博士，二级教授，博士生导师，现任资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室主任，西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院院长，国家蚕桑产业技术体系首席科学家，长期从事家蚕遗传资源库构建发展、遗传学与育种技术、蚕丝高值化利用等研究。邮箱为fydai@swu.edu.cn。

程岚，博士，西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院副教授，硕士生导师，主要研究方向为特殊茧丝种质资源的挖掘与评价、蚕丝生物医用材料的开发与应用研究。邮箱为lancheng@swu.edu.cn。