2026年6月30日，中国科学院深圳先进技术研究院赖毓霄研究员、张原驰副研究员团队在Nature Communications（IF=18.1）上发表了题为“Unified bilayer membranes with mechanically reinforced interface for stage-adaptive bone regeneration”的文章，该研究制备统一双层复合膜（CSO₁M₃），解决传统膜分层、湿态力学差、修复调控单一问题，可时序释放 OTA 与 Mg²⁺，依次实现抗菌、免疫调控、促神经血管生成、促成骨四阶段自适应修复。大鼠颅骨缺损模型证实其新骨再生量显著优于商用胶原膜，结合转录组与单细胞测序解析材料重塑巨噬细胞亚群、优化成骨谱系分化、强化神经—血管—成骨细胞通讯的修复机制，为骨修复生物膜临床转化提供理论与实验支撑。欧易生物为该研究提供了单细胞测序（scRNA-seq）服务。
影响因子：18.1
涉及的欧易生物服务产品：单细胞转录组测序临床骨缺损修复存在愈合延迟、再生紊乱难题，骨修复需历经抗感染、免疫重塑、神经血管生成、成骨分化四阶段，任一环节失衡都会阻断修复进程；现有材料普遍存在层间结合薄弱、易分层脱粘、湿态力学性能差、降解过快、无法时序调控多阶段修复的缺陷，商用胶原膜屏障、抗菌、促再生能力有限，且天然骨膜供体稀缺、个体差异大难以临床普及。因此亟需开发兼具机械强化与阶段自适应调控功能的人工骨膜替代材料，为高效骨缺损修复提供全新解决方案。
1.一体化双层膜材料表征概括
依托席夫碱共价交联与镁 - 酚配位双网络制备的 CSO₁M₃一体化双层膜实现无分层连续界面，兼具优异力学、抗溶胀、长效稳定降解与可控离子缓释性能，仿生不对称双层结构完美复刻天然骨膜功能特征。
化学与微观结构表征（Fig.2b-e）：FTIR、XPS、Raman证实席夫碱C=N键与Mg²⁺- 儿茶酚配位键成功构建，截面 SEM 显示膜层界面连续无剥离，材料可卷曲弯折无开裂分层；屏障层疏水粗糙低、多孔层亲水多孔，Mg元素在双层均匀分布。
力学与耐受性能（Fig.2f-m）：1wt% OTA+3wt% MgO 配比性能最优，干态拉伸强度 156 MPa、湿态8.6 MPa，缝合穿刺无裂纹，可承重4kg，湿态韧性、断裂伸长率显著优于纯壳聚糖膜、单组分膜及天然骨膜。
溶胀与降解特性（Fig.2n-o）：双交联网络大幅降低溶胀，56 天酶降解后CSO₁M₃残余重量73%，双层结构完整无崩解，降解周期约6–8 个月适配临床需求，降解液pH维持生理稳定区间。
活性物质释放（Fig.2p）：前14天快速爆发释放OTA 与Mg²⁺快速起效，后续平稳缓释，可持续长效调控骨修复各阶段生理行为。
图1 一体化双层膜调控分阶段骨再生原理示意图
图2 一体化双层膜的结构与性能表征
2. 一体化双层膜屏障与抗菌性能
CSO₁M₃一体化双层膜依靠三重协同抗菌机制，兼具高效杀菌、抗细菌黏附、物理阻隔三重作用，能完全阻断细菌侵入骨缺损区域，同时阻挡成纤维细胞内渗，提供修复早期无菌微环境。
体外细菌共培养实验（Fig.3a-c）：对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌杀菌率分别达 90%、93%；7 天跨膜渗透测试（Fig.3d）可见CSO₁M₃表面仅少量变形细菌，无细菌渗入多孔层。
细胞屏障测试（Fig.3e）：可有效阻挡 L929 成纤维细胞穿透屏障层，避免软组织侵占缺损空间，且材料具备良好细胞相容性。
大鼠皮下感染体内模型（Fig.3f-i）：植入 7 天后商用胶原膜术区红肿、组织细菌载量高，CSO₁M₃组无感染症状，膜下深层组织实现 100% 细菌阻隔，组织炎症浸润显著减轻。
机制总结示意图（Fig.3j）：明确快速游离菌清除、抗黏附接触杀菌、致密层物理隔绝三重抗菌协同通路。
图3 一体化双层膜的屏障作用与抗菌性能
3.一体化双层膜免疫调控性能
CSO₁M₃膜可通过释放 OTA 与 Mg²⁺协同抑制促炎通路，高效诱导巨噬细胞向修复型 M2 极化，在体内外均能显著改善骨缺损局部炎症微环境，为后续组织再生奠定基础。
体外巨噬细胞实验（Fig.4a-d）：LPS 刺激下，CSO₁M₃组M1 相关促炎基因抑制、M2 修复基因上调，炎症因子分泌量最低。
转录组测序分析（Fig.4e-g）：该膜抑制TNF、NF-κB 促炎通路，激活PPAR 通路，大幅下调各类炎症相关基因表达。
大鼠颅骨缺损体内实验（Fig.4h-k）：植入1周后大鼠血清促炎因子降低、抗炎因子升高，缺损处 M2/M1 巨噬细胞比值远高于商用胶原膜等对照组，局部 TNF-α 表达显著减少。
调控机制示意图（Fig.4l）：材料释放的 OTA 与 Mg²⁺协同阻断 TNF-α/NF-κB 信号，实现炎症抑制与巨噬细胞修复表型重塑。
图4 一体化双层膜体外、体内免疫调控效应研究
4. 一体化双层膜促神经血管生成性能
CSO₁M₃膜缓释的 Mg²⁺可协同 OTA 高效招募施万细胞、内皮细胞等修复细胞，同步促进神经细胞轴突延伸与血管新生，在体内构建神经 - 血管耦合的再生微环境，承接免疫调控阶段推进骨修复。
体外细胞迁移与活性实验（Fig.5a-c）：Transwell 实验证实材料显著提升施万细胞、HUVEC、hBMSCs 迁移能力；PC12 细胞实验同样验证其促神经突起生长作用。
体外神经、血管功能验证（Fig.5d-j）：显著上调施万细胞 GAP-43、NGF、BDNF 表达，同时促进 HUVEC 迁移、管状结构形成，上调 VEGF、HIF-1α 表达，强化血管生成能力。
大鼠颅骨缺损体内动态检测（Fig.5k-q）：植入 1 周缺损处 S100β、CD31 表达显著提升；2 周激光散斑成像显示血管密度、组织灌注量远高于商用胶原膜；4 周免疫荧光可见 NF200 神经纤维与 CD31 血管紧密伴生，同时提升 CGRP、H 型血管标志物 Emcn 表达，强化神经血管耦合。
图5 一体化双层膜调控体内外神经血管再生实验
5. 一体化双层膜促成骨再生性能
CSO₁M₃膜持续释放的 Mg²⁺可激活 PI3K-Akt 信号通路，协同前期抗菌、免疫、神经血管调控作用，显著提升骨髓间充质干细胞成骨分化与矿化能力，在大鼠颅骨临界缺损模型中新生骨量远优于商用胶原膜。
体外成骨细胞实验（Fig.6a-c）：共培养 hBMSCs 后，7 天 ALP 活性、14 天茜素红矿化结节显著多于各组，成骨相关基因表达大幅上调，人骨膜干细胞同步验证该促成骨效果。
体内颅骨缺损修复检测（Fig.6d-h）：Micro-CT 结果显示植入 8 周后 CSO₁M₃组 BV/TV、骨密度约为商用胶原膜的 2.7 倍；Masson 染色可见缺损区域大量成熟新生骨，各主要脏器组织切片证明材料生物安全无毒性。
缺损组织转录组分析（Fig.6i-l）：4 周缺损组织RNA-seq 证实该膜持续抑制炎症相关通路，富集神经发育、成骨分化相关基因；机制层面明确 Mg²⁺通过激活 PI3K-Akt 通路上调 Runx2 等成骨蛋白，形成神经 - 血管 - 成骨协同修复体系。
图6. 一体化双层膜调控体内外成骨修复性能
6.一体化双层膜调控骨再生
基于大鼠颅骨缺损组织的单细胞 RNA 测序证实，CSO₁M₃膜可重塑缺损区域细胞组成比例，优化巨噬细胞亚群、促进成骨谱系细胞增殖分化，并大幅增强施万细胞、内皮细胞与成骨细胞间的互作通讯，搭建紧密耦合的神经—血管—成骨再生网络。
细胞分群与比例分析（Fig.7a-d）：实验共鉴定出 B 细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、成骨谱系细胞等 9 类细胞，CSO₁M₃组修复早期成骨谱系细胞占比显著高于对照组。
巨噬细胞亚群解析（Fig.7e-g）：将巨噬细胞分为 10 个亚群并归为炎症型、M2c修复型、M2a组织重塑型等类别，该膜明显提升具备组织修复功能的M2a样巨噬细胞亚群丰度。
成骨谱系细胞分化轨迹（Fig.7h-k）：区分 11 种成骨前体、成骨细胞亚群，CytoTRACE 判定增殖间充质细胞为分化源头，Monocle 3 重建完整分化伪时序，清晰展现细胞从干性增殖向成熟矿化成骨细胞递进的全过程。
细胞互作分析（Fig.7l）：CellChat分析显示CSO₁M₃组施万细胞、内皮细胞、成骨谱系细胞间的信号交互数量与强度显著提升，构建协同再生的细胞通讯微环境。
图7 再生骨组织的单细胞RNA测序
研究结论
本研究成功构建具备双交联强化界面的一体化双层仿生骨修复膜，攻克传统双层膜易分层、湿态力学不足、无法适配骨修复多阶段需求的核心瓶颈，实现抗感染、免疫调控、促神经血管再生、促成骨的阶段自适应一体化调控。研究借助多组学与单细胞测序明晰材料介导神经 - 血管 - 成骨协同修复的分子与细胞通讯机制，动物模型证实其修复效果显著优于商用胶原膜。该同质异构原位制备策略具备普适性，可拓展至皮肤、软骨等组织修复，为高性能引导骨再生生物膜提供全新材料设计范式，为骨缺损修复植入材料的临床转化夯实理论与实验基础，仅有待大动物实验进一步验证长期体内安全性与疗效。
参考文献
Yuhan, Du,Yangyi, Nie,Zhiheng, Luo et al. Unified bilayer membranes with mechanically reinforced interface for stage-adaptive bone regeneration.[J] .Nat Commun, 2026 .DOI：10.1038/s41467-026-74932-x