同济大学：纤维素纳米纤维 - 层状双氢氧化物复合材料的制备及其在脊椎修复中的应用

文摘 2025-01-24 21:10 山西

脊髓损伤一直是医学领域的难题。它会致使轴突断裂，大量神经元和少突胶质细胞死亡。而且，损伤后的脊髓组织再生能力差，炎性微环境以及胶质瘢痕的形成，让神经再生和传导环路重塑困难重重。目前虽有多种生物材料用于构建修复脊髓损伤的生物支架，但都存在一定缺陷。比如，层状双氢氧化物虽具备生物相容性好、可降解、药物缓控释等优点，能调控炎性微环境、促进神经干细胞迁移分化，却无法满足脊髓损伤修复所需的桥梁结构；纤维素纳米纤维虽有良好的生物相容性，可用于构建类细胞外基质网络结构，但在修复脊髓损伤方面的研究较少，其修复效果和机制有待探索。

近日，同济大学一项在生物医学材料领域的重要专利引发关注，该专利号为 202411294117.5，发明名称是 “一种纤维素纳米纤维 - 层状双氢氧化物复合材料及其制备方法和应用”。这项专利的申请人为同济大学，发明人是朱融融。

针对这些问题，该专利提出了创新性的解决思路。通过将层状双氢氧化物（LDH）与纤维素纳米纤维（CNF）在溶液中混合均匀，再经干燥或单向冷冻，制备出具有有序导向孔结构的纤维素纳米纤维 - 层状双氢氧化物复合材料。其中，单向冷冻技术是关键，它能使复合材料形成完整、有序的微米级导向孔结构。在此基础上，将复合材料在紫外线下处理后，浸泡于含有音猬因子（SHH）和维生素 A 酸（RA）的混合溶液中，冷冻干燥得到功能化复合材料。这种功能化复合材料可以增强神经干细胞向神经元的分化，抑制向星形胶质细胞的分化，引导神经元再生和轴突穿越损伤区域并持续生长。

制备工艺

镁铁层状双氢氧化物（MgFe-LDH）制备工艺

原料准备：将 1.538g六水硝酸镁和 0.606g九水硝酸铁溶于 20mL 无去离子水配成金属盐原液；0.544gNaOH 溶于 80mL 无二氧化碳的去离子水配成 NaOH 原液。

反应过程：在三颈圆底烧瓶中，通氮气，500rpm 剧烈搅拌下将金属盐溶液逐滴加到 NaOH 原液中，60℃反应 30min；反应产物经去离子水反复洗涤、离心后，分散于 100mL 去离子水，在 100℃水热处理 16h，再经离心、洗涤沉淀三次，得 MgFe-LDH 纳米粒子。

性能表征：TEM 显示其为六边形片层结构，尺寸 70 - 125nm；XRD 表明材料晶面生长有序，层状结构完整，结晶度良好，有明显的 (003)、(006) 和 (009) 特征衍射峰。

纤维素纳米纤维 - 层状双氢氧化物复合薄膜（CNF-LDH 复合薄膜）制备工艺

溶液混合：取 1mL 浓度为 10mg/mL 的 MgFe-LDH 溶液（超声处理 30min），分别加入 20g、40g、60g、80g 浓度为 0.5wt.% 的 CNF 溶液中，搅拌 30min，得不同质量比的 CNF-LDH 混合溶液。

干燥成膜：取 100μL 混合溶液加入含爬片的 24 孔板，60℃真空干燥过夜得 CNF-LDH 复合薄膜；同时取 100μL 0.5wt.% 的 CNF 溶液同样条件下制得 CNF 薄膜作对照。

具有有序导向孔结构的 CNF-LDH 气凝胶复合材料制备工艺

混合溶液配制：同 CNF-LDH 复合薄膜制备的溶液混合步骤，得到 CNF-LDH 混合溶液。

冷冻处理：将 30mLCNF-LDH 混合液和 30mLCNF 溶液分别装入 50mL 离心管，离心排气泡；用 2cm 厚泡沫塑料包裹离心管，管口倒放于浸入液氮的 - 198℃铜块上单向冷冻 40min 。

干燥处理：冷冻后在 - 80℃低温冷冻干燥，得具有有序导向孔结构的 CNF-LDH 气凝胶复合材料和 CNF 气凝胶材料。

性能表征：SEM 观察到孔径 80 - 225μm 的排列整齐微通道结构；EDS 显示 MgFe-LDH 中的 Mg、Fe 元素均匀分布在复合材料上。

功能化 CNF-LDH-RS 复合支架制备工艺

前期处理：将具有有序导向孔结构的 CNF-LDH 气凝胶复合材料切成特定尺寸（长 × 宽 × 高为 2mm×20mm×20mm ，质量 6.3 - 6.7mg），紫外线照射过夜。

浸泡负载：完全浸没于含 50μg 音猬因子（SHH）和 15.02μg 维生素 A 酸（RA）的 600μLPBS 溶液中，4℃复水 24h。

干燥成型：-80℃低温冷冻干燥 24h，再切成移植用尺寸（长 × 宽 × 高为 2mm×2mm×2mm），4℃用 6μLPBS 溶液复水过夜。

材料性能综合表现

生物相容性：CCK8 法和 EdU 检测表明，相比对照组，CNF 薄膜有微弱促增殖作用，10:1 和 20:1 的 CNF-LDH 复合薄膜细胞活性更高，20:1 的 CNF-LDH 复合薄膜上 EdU 染色细胞球平均免疫荧光强度相对对照组增加 65%。

细胞命运调控：RT-qPCR 检测显示，CNF 支架和 CNF-LDH 复合支架能使神经元和少突胶质细胞标志基因表达显著升高，星形胶质细胞标志基因表达显著降低；功能化 CNF-LDH-RS 复合支架促神经元分化作用更显著，其中 20:1 功能化 CNF-LDH-RS 复合支架组效果最佳。

脊髓损伤修复：动物实验表明，功能化 CNF-LDH-RS 复合支架移植组小鼠后肢运动功能明显改善，损伤区域神经元再生和神经环路重建效果显著，如移植后 3 周损伤区域 Tuj1 阳性神经元增多，轴突再生增加；6 周时部分神经元到达损伤远端并整合到宿主脊髓组织中；8 周时 MAP2 阳性细胞沿支架孔方向穿透病变中心。

-作者介绍-

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