北航樊瑜波/李晓明/李林昊团队《自然·通讯》：具有各向异性细胞引导和抗粘附丝素基涂层的Janus脱细胞膜用于硬脊膜修复

硬脊膜（spinal dura mater）是保护脊髓、防止脑脊液泄漏和硬膜外粘连的关键组织。然而，在脊柱手术和神经外科手术中，硬脊膜损伤导致脑脊液泄漏是常见的术后并发症，发生率高达4%至32%。目前，临床上用于硬脊膜修复的材料存在诸多局限性，如来源有限、降解速率与组织再生不匹配、易引发炎症和硬膜外粘连等。因此，开发一种力学特性适宜、且既能促进硬膜再生又能抑制硬膜外粘连的新材料，一直是该领域的研究热点。

近日，北京航空航天大学生物与医学工程学院、生物力学与力学生物学教育部重点实验室、北京生物医学工程高精尖创新中心樊瑜波教授、李晓明教授和李林昊副教授团队，在著名综合性期刊《Nature Communications》上发表了新型硬脊膜修复材料的最新成果“Janus decellularized membrane with anisotropic cell guidance and anti-adhesion silk-based coatings for spinal dural repair”。该研究开发了一种新型的Janus小肠黏膜下层（SIS）膜材料，通过在SIS表面涂覆丝素基水凝胶涂层，实现了对硬脊膜修复和防止硬膜外粘连的双重功能：内层丝素蛋白（SF）和甲基丙烯酰化丝素蛋白（SilMA）复合（SFMA）微沟槽涂层可引导细胞定向生长，促进硬脊膜再生；外层的甲基丙烯酰化透明质酸（HAMA）和SilMA复合涂层则能有效抵抗蛋白吸附和细胞粘附，抑制硬膜外纤维化粘连（图1）。

图1. 硬脊膜再生的Janus小肠黏膜下层（SIS）膜的设计与制备

该研究为了使SFMA微槽涂层吸水后结构稳定，利用了水蒸汽热处理工艺。如图2所示，与未处理的微槽涂层相比，经过水蒸汽处理后的SFMA微槽涂层的二级结构发生变化，进而导致其力学和结构稳定性有显著提升。

图2. 水蒸气退火提高了SFMA微槽涂层的力学性能和结构稳定性

进一步研究了SFMA微槽涂层与SIS底物的截面结合力和稳定性。如图3所示，SFMA微槽涂层和SFMA改性SIS基底之间的结合强度最大，同时，水蒸气退火后的SFMA微槽涂层与未经处理的涂层相比，其结合强度有所提高。这些结果表明，光固化反应的共价键和水蒸气处理介导的β-折叠物理相互作用协同提高了SFMA微槽涂层和SIS基底之间的界面结合强度。

图3. 光固化和水蒸气退火处理增强了SFMA微槽涂层和SIS基底之间的界面结合强度

通过SD大鼠皮下模型验证了微沟槽的稳定性以及与组织整合情况，如图4所示，在植入后28天，微沟槽的结构开始崩解，这表明SFMA微沟槽已经发生了生物降解。此外，大量宿主细胞分布在微沟槽内，且SFMA微沟槽表面和SFMA-SIS表面均显示出类似的纤维囊形成，这表明微沟槽涂层与宿主组织整合良好。此外，SFMA微沟槽表面和SFMA-SIS表面均以Arg-1阳性巨噬细胞为主，这表明SFMA微沟槽涂层类似于生物活性SIS膜，能够促进巨噬细胞向M2表型极化。

图4. SFMA微沟槽涂层与宿主组织整合良好，并促进了M2型巨噬细胞极化

组织学评估显示（图5），在植入14天后，HAMA-SilMA涂层表面作为保护性屏障，与宿主组织明显分离，并有效阻止了宿主细胞和组织的侵入，从而减少组织粘连的程度。HAMA-SilMA侧的巨噬细胞显示出更高的M1表型，然而，与SFMA-SIS侧相比，HAMA-SilMA侧显示出更薄的纤维囊和更低的α-SMA阳性成纤维细胞表达。

图5. HAMA-SilMA涂层抑制了组织内生长，并减轻了纤维化形成

该研究采用椎板切除术模型来制造硬脊膜缺损，以评估Janus SIS膜在体内的治疗效果（图6）。从脊髓组织的宏观图像可以看出Janus涂层组的外观与天然硬脊膜相似。同时通过H&E染色和Masson三色染色可以看出Janus SIS组的硬膜缺损区域观察到连续的新生成胶原组织，与正常硬膜组织高度相似。磁共振成像（MRI）结果表明术后8周Janus SIS显示出脊髓与硬脊膜外组织之间更清晰的边界。α-SMA和胶原蛋白I的免疫荧光染色进一步评估硬膜外纤维化粘连，与SIS组相比，Janus SIS组硬膜外组织中的α-SMA阳性细胞数量更少；对照组硬膜外区域被广泛密集的胶原蛋白I占据，而植入SIS和Janus SIS的组中胶原蛋白I的表达显著降低。

图6. 在大鼠脊髓硬膜缺损模型中，Janus SIS膜显著增强了硬膜的原位再生

综上所述，本研究不仅为硬脊膜修复提供了一种全新的生物材料解决方案，还为开发具有仿生结构和功能的Janus材料提供了新的思路。这种新型Janus膜材料的设计理念和制备方法，有望在其他软组织修复领域得到广泛应用，为临床治疗提供更有效、更安全的材料选择。

该研究得到了国家自然科学基金（T2288101, 11827803, 12332019, 32371405, 32171345和32201114）等基金的支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56872-0