DOI:10.1016/j.actbio.2020.08.017
在臨床實踐中，引導性骨再生（GBR）的概念已被廣泛用于治療頜面部骨缺損。但是，目前可用的GBR膜的修復功效通常因其有限的骨再生潛力和抗菌活性不足而受到影響。在這項研究中，受常用Bio-Gide?膜的雙層結構設計的啟發，研究者將溶液靜電紡絲書寫（SEW）和溶液靜電紡絲（SES）技術結合起來，使用單臺SEW打印機，設計并制備了一種新型多功能雙層“GBR支架”。將負載銅的介孔二氧化硅納米粒子（Cu@MSNs）摻入聚乳酸-乙醇酸/明膠（PLGA/Gel，表示為PG）纖維基質中，以構建PG-Cu@MSNs復合纖維支架。所制備的GBR支架由疏松多孔的SEW層和致密緊湊的SES層組成，前者用于支撐和促進骨骼向內生長，后者用于抵抗非成骨細胞的干擾。由此產生的增強的機械性能、協調的降解曲線和簡便的制備過程賦予了復合支架良好的臨床可行性。體外生物學實驗表明，PG-Cu@MSNs復合支架具有良好的成骨和抗菌性能。此外，體內大鼠牙周缺損模型進一步證實了PG-Cu@MSNs支架的骨再生功效。綜上所述，具有分層結構，同時具有成骨和抗菌功能的電寫Cu@MSNs摻雜雙層支架在GBR中具有廣闊的應用前景。
圖1.示意圖顯示了雙層電寫PG-Cu@MSNs支架的制備過程和應用場景。（A）雙層PG-Cu@MSNs GBR支架是使用一臺SEW打印機通過簡便的兩步工藝制備的。通過將致密層納米纖維沉積到預印制的松散層支架上，可以制備由松散且多孔的SEW層和致密且緊湊的SES層組成的雙層復合支架。（B）雙層GBR支架在頜面部和牙槽骨再生區域中的應用示意圖。致密層設計為抵抗非成骨細胞干擾，而松散層設計為促進祖細胞粘附，促進細胞-支架相互作用，并在支架降解時支持骨再生。此外，治療性銅離子以受控方式釋放來提供促進成骨作用和抑制細菌的作用。
圖2.Cu@MSNs的表征。（A）MSNs和（B）Cu@MSNs的TEM形態。（C）所制備的Cu@MSNs的EDS光譜和（D）EDS映射圖像。
圖3.（A-F）SEM圖像分別顯示了PG、PG-MSNs和PG-Cu@MSNs支架的松散層形態（A-C放大130倍；D-F放大60倍）。（G-L）SEM圖像分別顯示了PG、PG-MSNs和PG-Cu@MSNs支架的致密層形態（G-I放大1000倍；J-L放大500倍）。
圖4.雙層支架的形態。（A）松散，（B）致密和（C）雙層支架的宏觀外觀。（D）雙層支架的厚度測量。（E）雙層支架的橫截面外觀放大圖。（F）雙層支架，（G）致密層膜和（H）松散層支架的橫截面SEM圖像。
圖5.雙層支架的表征。（A）MSNs，Cu@MSNs，PLGA，凝膠和雙層支架的FTIR光譜。（B）銅離子在PG-Cu@MSNs復合支架中的體外釋放行為。分別在（C）PBS溶液和（D）人工唾液中孵育的雙層支架的體外降解曲線。
圖6.雙層支架的機械性能。（A）代表性應力-應變曲線（插圖：初始階段的應力-應變行為）。（B）雙層支架的極限拉伸應力，（C）斷裂伸長率和（D）楊氏模量。
圖7.雙層支架的細胞相容性。（A）在第1、3和5天與雙層支架共培養的BMSCs的活/死染色。與雙層支架共培養的（B）BMSCs和（C）L929細胞的CCK分析。
圖8.（A）在第1、4和7天，致密層膜上培養的L929細胞和（B）松散層支架上培養的BMSCs的F-肌動蛋白和細胞核染色。
圖9.細胞浸潤評估。7天后（A）在致密層上培養的L929細胞和（B）在松散層支架上培養的BMSCs的SEM圖像。7天后，（C）在致密層上培養的L929細胞和（D）在疏松層支架上培養的BMSCs的共聚焦掃描和3D重建圖像。7天后，對（E）在致密層上培養的L929細胞和（F）在疏松層支架上培養的BMSCs進行橫截面HE染色。（黑色和紅色箭頭分別代表細胞和支架）
圖10.體外成骨分析。（A）ALP染色和（B）在不同雙層支架上培養4天和7天的BMSCs中的ALP相對活性。（C）ARS染色和（D）在不同雙層支架上培養21天的BMSCs的ARS相對活性。（E）在不同雙層支架上培養7天的BMSCs的OCN免疫熒光染色。紅色、綠色和藍色熒光分別代表AF 594染色的OCN，FITC鬼筆環肽染色的細胞骨架和DAPI染色的細胞核。成骨相關基因（F）RUNX2，（G）ALP，（H）ColI和（I）OCN在不同雙層支架上培養7天的BMSCs中的表達。結果顯示為TCP組中的相對表達水平。
圖11.體外抗菌活性檢測。孵育24小時后，PG、PG-MSNs和PG-Cu@MSNs支架對（A）大腸桿菌和（B）金黃色葡萄球菌的抑制區。在24小時的孵育期內，與不同雙層支架共培養的（C）大腸桿菌和（D）金黃色葡萄球菌的細菌溶液的OD值。在24小時的觀察期內，PG、PG-MSNs和PG-Cu@MSNs支架對（E）大腸桿菌和（F）金黃色葡萄球菌的細菌抑制率。
圖12.體內骨再生評估。（A）2D和3D重建顯微CT圖像顯示了缺損前的牙槽骨和未經治療以及用PG、PG-MSNs和PG-Cu@MSNs支架治療的缺損周圍的牙槽骨。（B-D）通過測量支架植入前后的CEJ-ABC距離以及再生骨組織的BV/TV和BMD值對垂直骨增益進行定量評估。（E）代表性的H＆E和Masson染色圖像顯示了支架引導的牙周骨再生。（AB：宿主牙槽骨，NAB：新生牙槽骨，PDL：牙周膜，DE：牙根周圍的牙本質，G：牙齦組織，黑色箭頭表示CEJ，黃色圓圈表示血管）
