西安交通大学贺健康教授团队：具有抗菌和诱导成骨能力的多层结构可降解脑膜补片静电制造方法 | CJME:AMF论文推荐
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Yanwen Su, Zhi Li, Hui Zhu, et al. Electrohydrodynamic Fabrication of Triple-layered Polycaprolactone Dura Mater Substitute with Antibacterial and Enhanced Osteogenic Capability. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022. https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100026.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772665722000162(戳链接，下载全文)
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研究背景及目的
针对现有组织工程脑膜补片微观结构与自然脑膜差异大、抗感染能力差等问题，提出一种负载抗菌药物与成骨活性因子的仿生脑膜补片的静电制造方法，以期为特殊环境下脑膜损伤的抗感染修复以及与周围组织的融合生长提供新思路。
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论文亮点
模拟自然脑膜的微观结构与成分特征，设计了包含定向纳米纤维抗菌层、无序纳米纤维防漏层以及骨再生活性的多孔微米纤维层的可降解载药脑膜补片，建立了静电纺丝与静电打印相结合的分层脑膜补片的静电制造方法，通过性能表征与细胞实验验证了仿生脑膜补片具有与自然脑膜相似的力学性能、优异的抗菌能力与诱导成骨细胞分化能力。
图1 静电制造方法制备的具有分层结构与成分变化的仿生脑膜补片结构及成分表征：（a-c）仿生载药脑膜补片的不同层微观结构表征，(d)仿生载药脑膜补片中氮和硫元素分析，(e)不同补片中茜素红染色
图2 仿生载药脑膜补片的抗菌性能和药物缓释评价：(a-c) 溶藻弧菌在不同脑膜补片表面培养四天抑菌性能评价，（d）仿生载药脑膜补片中庆大霉素的体外释放检测
图3 静电打印的负载活性成骨因子纳米羟基磷灰石的多孔微米纤维结构对成骨细胞铺展和分化表达的影响表征:(a)和(b)成骨细胞分别在静电打印多孔微米纤维结构和负载活性成骨因子纳米羟基磷灰石的多孔微米纤维结构上培养3天的铺展结果，(c)和(d)成骨细胞分别在静电打印多孔微米纤维结构和负载活性成骨因子纳米羟基磷灰石的多孔微米纤维结构上培养14天的钙结节图像，(e) 不同静电打印多孔微米纤维结构上成骨细胞分泌钙结节的定量分析
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试验方法
首先表征了自然脑膜的宏微观结构及力学性能；模拟自然脑膜宏微观结构设计了成分与结构分层变化的仿生脑膜补片，通过静电纺丝和熔融静电打印工艺相结合成功制备了具有多层结构的可降解脑膜补片，表征其厚度、材料成分与力学性能；研究了抗菌药物庆大霉素的添加对内侧纳米纤维结构抗菌能力以及细胞粘附生长的影响；进一步研究了包含纳米羟基磷灰石的外层静电打印多孔微米纤维结构对成骨细胞铺展和分化表达的影响。
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结果
模拟自然脑膜结构，设计并成功制备了具有分层结构与成分变化的仿生脑膜补片，靠近脑组织侧为载药的定向纳米纤维结构，近颅骨侧则为静电打印的负载活性成骨因子纳米羟基磷灰石的多孔微米纤维结构。所制备的仿生脑膜的拉伸模量为22.42 ± 0.89 MPa，断裂强度为1.41 ± 0.05 MPa，断裂伸长率为36.43% ± 2.00%，均达到自然脑膜的力学性能需求。抗菌药物庆大霉素的添加在不影响成纤维细胞增殖和铺展生长的前提下表现出了良好的体外抗菌能力。通过在静电打印的多孔微米纤维结构内部添加纳米羟基磷灰石，显著提升了脑膜补片外侧的成骨分化能力。
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结论
本论文所提出的仿生脑膜补片的设计与多工艺融合静电制造方法，成功制备了内层抗菌、外层促进成骨分化的功能梯度脑膜补片结构，该方法也可进一步扩展应用于人体其它薄膜类功能化组织的制造。
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前景与应用
本论文所研发的载药仿生脑膜补片除具有与自然脑膜相似的力学性能外，还具有抗菌和促进成骨细胞分化的潜力，有望作为新一代的人工硬脑（脊）膜修补材料用于神经外科开放性颅脑损伤的修复治疗。
团队带头人介绍
团队研究方向
本团队依托西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，是在卢秉恒院士和李涤尘教授带领下形成的生物制造多学科交叉研究队伍。团队长期开展生物增材制造技术创新与临床应用探索，自2001年至今逐步实现了增材制造个性化钛合金下颌骨、聚醚醚酮胸肋骨、可降解乳腺填充物等的国际首例临床应用，2014年获国家技术发明二等奖、2015年获首届中国好设计金奖、2019年获教育部自然科学一等奖。团队现有生物制造方向固定研究人员10余人，其中国家级中青年人才计划3人，2019年获批陕西首届高校青年创新团队，2021年牵头获批国家药监局医用增材制造器械研究与评价重点实验室。
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编辑：谢雅洁 校对：向映姣
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