暨南大学《ACS Nano》：给缺损骨披上“会长神经、会生血管”的无缝Janus人工骨膜

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严重创伤和病理性骨折等造成的骨缺损，至今仍是临床修复难题。骨膜并非一层被动的“包装膜”：早期骨修复中超过70%的恢复由骨膜介导。天然骨膜具有鲜明的Janus双面结构——外层纤维层富含神经与血管网络，负责感知、营养和调控；内层成骨层富集间充质干细胞和成骨细胞，直接参与新骨形成。然而，现有人工骨膜往往只模拟其中一种结构或功能，难免会忽略内外两层在微结构、力学性质和生物功能上的差异，尤其是神经再生对血管化和成骨的前置调控作用。

近日，暨南大学化学与材料学院罗丙红教授团队联合中山大学材料科学与工程学院白莹副教授团队，构建了一种无缝一体化Janus人工骨膜。研究者以负载Mg²⁺的各向异性弹性木材作为“促神经血管化外层”，以具有类骨细胞外基质液晶态和黏弹性的甲壳素晶须（CHWs）/PEGDA/PVA三元液晶水凝胶作为“促成骨内层”，并利用可渗透的低黏度液晶水凝胶形成榫卯式界面。该体系在体外依次促进神经生成、血管生成和成骨分化，并在大鼠临界尺寸颅骨缺损中实现神经血管化成骨。

图1. 无缝Janus人工骨膜的整体构建思路及“神经生成-血管生成-成骨”级联修复机制

首先，团队针对天然骨膜外层“有序、柔韧、富含神经血管”的特征，对天然木材脱木质素得到弹性木材（EW），再沉积聚多巴胺（PDA）并螯合Mg²⁺，制得EW/P/Mg外层。处理过程保留了木材纵向排列的纤维通道及横向连通孔道，同时显著改善柔韧性；纵、横两个方向的力学差异则赋予其与天然骨膜相似的各向异性。更关键的是，PDA层将Mg²⁺稳定固定并持续释放：前7天释放量快速达到56.35 ± 2.08 ppm，随后至第15天逐步降低，与骨修复早期神经再生、继而血管长入的时间窗口相匹配。

图2. 外层EW/P/Mg纤维层的制备、各向异性微结构、Mg²⁺负载/释放及力学性能

对于内成骨层的设计，该团队基于高长径比CHWs的自组装形成的手性向列液晶结构模拟类骨质中有序的细胞外基质。随后引入可光交联的PEGDA和富含羟基的PVA，构筑化学网络与氢键网络互穿的三元CPP液晶水凝胶。通过系统调节PEGDA与PVA比例，最终筛选出兼具手性向列相液晶织构、适宜强度、柔韧性和快速应力松弛行为的配方，为细胞铺展、基质重塑及成骨分化提供动态而有序的微环境。

图3. CPP三元液晶水凝胶的制备及PEGDA/PVA比例对液晶态与力学性能的调控

名义上的“双层”往往容易实现，但“长期不分家”才是关键。为此，该团队设计了同源但流变性质不同的两种CPP前驱液：8.4% CPP黏度低、渗透性强，可在真空辅助下进入EW/P/Mg的沟槽与孔道；10.5% CPP黏度较高、液晶有序性更强，适合作为表面的成骨层。两者经紫外光同步固化后，一方面在木材通道中形成机械互锁的“榫卯结构”，另一方面依靠纤维素、PDA、PVA和CHWs之间的多重氢键增强界面结合，从而获得真正无缝的具有Janus结构的双层骨膜（WH）。WH沿纵向的弹性模量为50.03 ± 4.76 MPa，处于人体不同部位骨膜力学性质的合理范围；连续扭转50次后，水凝胶仍保持完整黏附和典型液晶织构。

图4. 低/高黏度CPP液晶前驱液的设计及榫卯式木材-水凝胶界面的构筑

得益于PVA丰富的羟基和界面氢键，WH表现出优异的湿态组织黏附与长期稳定性。其在猪皮上的搭接剪切强度达到41.27 ± 0.90 kPa，明显高于商业纤维蛋白胶（15.38 ± 2.82 kPa）和已报道水凝胶敷料（11.34 ± 4.04 kPa）；在持续水流冲刷下，WH仍能牢固贴附骨表面。材料浸泡于PBS 21天后，宏观形貌、界面结构、液晶织构和流变性能均保持稳定，而去除PVA的对照样品在第7天即发生分层，进一步验证了“榫卯互锁+氢键网络”的协同稳固作用。

图5. Janus人工骨膜的湿态黏附性能与21天界面稳定性

在神经再生评价中，负载Mg²⁺的EW/P/Mg外层同时提供“化学促生长”和“物理定向引导”。背根神经节（DRG）共培养7天后，EW/P/Mg组神经突面积达到21.28 ± 2.67%，为EW和EW/P组的两倍以上；平均轴突长度增至638.60 ± 119.18 μm，而EW和EW/P组分别为199.52 ± 53.50 μm和311.47 ± 55.41 μm。施旺细胞沿木材通道定向迁移并牵引轴突延伸，通道方向最大迁移距离达967.88 ± 10.28 μm，约为垂直方向的10倍，说明各向异性拓扑结构与Mg²⁺共同建立了有序的神经再生轨道。

图6. EW/P/Mg外层促进施旺细胞定向迁移与轴突再生

随后，外层释放的Mg²⁺进一步放大血管化效应。鸡胚尿囊膜实验中，EW/P/Mg组新生血管的直径、面积和长度约为其他组的2倍，分支连接点增加约1.5倍；该效应与Mg²⁺激活HIF-1α/VEGF信号轴相一致。与此同时，WH对骨髓间充质干细胞表现出最佳细胞相容性，并在第7天和第14天获得最高的ALP活性。结果表明，外层负责建立神经血管网络，内层液晶态与黏弹性微环境有效促进成骨分化，两个空间分区各司其职又相互协同。

图7. 外层促血管生成与Janus人工骨膜促成骨分化的体外评价

团队进一步在大鼠临界尺寸颅骨缺损模型中验证“神经-血管-骨”级联修复。与空白组和单独CPP水凝胶组相比，WH组在术后8周出现更长、更连续的NF阳性神经纤维，NF阳性面积较CPP组提高1.68倍；CGRP在缺损区的表达更早、更均匀。促血管化方面，WH组CD31与α-SMA信号均显著增强，其中α-SMA表达约为另外两组的两倍，显示其不仅促进血管萌生，也推动成熟血管网络建立。

图8. Janus人工骨膜在体内促进神经再生与成熟血管网络形成

最终的成骨结果显示，WH组在8周时几乎实现颅骨缺损闭合，并与自体骨形成连续结构；骨体积分数（BV/TV）和骨矿物质密度（BMD）均显著高于另外两组，骨小梁分离度（Tb.Sp）更低，说明新生骨更致密、更有序。H&E和Masson染色进一步显示，WH组具有最广泛的骨样组织、胶原沉积和成熟骨区域；8周时COL-1表达较空白组提高1.25倍。机制上，外层Mg²⁺既促进神经细胞生长及CGRP分泌，又通过HIF-1α/VEGF轴促进血管化；神经肽和成熟血管共同改善成骨微环境，最终与内层CPP液晶水凝胶的促成骨作用级联放大。

图9. 颅骨缺损的micro-CT、组织学、COL-1表达及神经血管化成骨机制

【全文总结】

该研究的核心创新不在于“多加一层”，而在于实现了结构、力学、时序和功能的四重分区仿生：其一，以各向异性弹性木材复制外层有序纤维结构，并利用Mg²⁺赋予早期神经生成和随后血管化功能；其二，以手性液晶水凝胶模拟内层类骨ECM的有序拓扑结构与动态粘弹性，持续驱动成骨分化；其三，以同源低粘度液晶水凝胶构建榫卯式过渡界面，解决传统双层支架易分层的问题；其四，将神经生成置于血管生成和成骨之前，重建更符合生理过程的“神经-血管-骨”级联。该工作为人工骨膜设计从单一特征模仿走向多层级、全过程协同提供了新范式，也为复杂组织界面的再生支架设计提供了更加简便可行的新思路。

相关工作以“Seamlessly Integrated Janus-like Artificial Periosteum with Customized Partitioning Structures and Functions for Neurovascularized Osteogenesis”为题发表于《ACS Nano》（DOI: 10.1021/acsnano.6c11797）。暨南大学化学与材料学院博士生夏海洋为论文第一作者，暨南大学化学与材料学院罗丙红教授与中山大学材料科学与工程学院白莹副教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广东省重点领域研发计划等项目支持。