静电纺丝素纳米纤维在修复医学中的应用

施李杨，张海萍，邓连霞，朱良均

（浙江大学应用生物资源研究所，浙江 杭州 310058）

静电纺丝素纳米纤维在修复医学中的应用

施李杨，张海萍，邓连霞，朱良均*

（浙江大学应用生物资源研究所，浙江 杭州 310058）

静电纺丝是目前制备纳米纤维的一种非常有效的方法之一。由于该技术具有装置简单、价廉、获得的纳米纤维和细胞外基质的结构非常相似，因此，越来越受到研究者的关注。丝素蛋白是一种天然的、可降解、低免疫原性的结构蛋白，在生物材料中具有广泛的应用前景。本文综述了静电纺纳米丝素在修复医学中的研究进展，并对以后的发展趋势提出了想法。

丝素；静电纺丝；修复医学；应用

1 引言

丝素蛋白是一种含有18种氨基酸的天然高分子纤维蛋白，其中甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸约占85%。由于丝素蛋白具有良好的生物相容性和生物降解性能、优良的机械性能、易加工和修饰、降解产物无毒性和低免疫源性以及产量丰富等优点，可用于研制各种用途的生物材料［1］。近年来随着纳米技术的发展，基于丝素蛋白的纳米纤维在修复医学领域的应用得到了广泛关注［2］。而采用静电纺丝法制备纳米纤维，具有方法简单、设备要求低等优点，是目前研究较多的手段之一。

2 静电纺丝技术和丝素纳米纤维的制备

静电纺丝是目前制备纳米纤维的一种非常有效的方法。早在1917年，Zeleny首次阐述了静电纺丝的基本原理［3］，1934年美国人Fomthals申请了第一项有关静电纺丝的专利［4］，1969年，Taylor提出了Taylor锥和临界电压的概念，奠定了静电纺丝的理论基础［5］。静电纺丝的基本原理相对比较简单，它是使高聚物溶液或熔体带电，并置于喷丝口与接收装置之间的高压电场之中，当电场强度增加时，喷丝头上呈半球形的液滴变长从而形成Taylor锥，当电场强度达到一定值时，电场力克服液体的表面张力，溶液射流便从泰勒锥的尖端喷射出去，经过一定距离的飞行，射流变细，溶剂挥发或者熔体固化，从而在接地的接收装置上得到由亚微米级或者纳米级的纤维构成的、以随机取向或定向排列形式存在的静电纺基质材料。

在生物体内，细胞外基质（ECMs）主要由粘多糖（GAGs）以及纤维蛋白（胶原、弹力蛋白等）组成，ECMs的主要作用是使细胞重新排列和胞外信号传导［6］。ECMs中的纤维蛋白的直径在50～500 nm，由于其小于细胞直径所以能够很好的调节细胞的三维排列［7］。静电纺丝方法制备的纳米纤维无纺布基质，其直径大小和ECMs中纤维直径很相近，能够很好的模拟ECMs一些性质。国此，该纳米纤维无纺布有望用于再生医学组织修复领域。

静电纺制备纳米纤维的装置，主要包括三个部分，高压电源、推力装置和接收器（图1，Sukigara）。该研究组，详细研究了丝素溶液浓度、电场大小、喷丝头到接收器之间的距离对丝素纳米纤维直径以及形态的影响［8］。此外，他们还分析了丝素无纺布的二级结构和力学性能［9］。

图1 静电纺丝装置示意图［8］Figure 1 The schematic diagram of electrostatic spinning device

3 静电纺丝素纳米纤维在修复医学的中应用

3.1丝素纳米纤维在血管修复工程中应用

2008年，Bondar等［10］人将血管上皮细胞（EC），种植到纳米或微米级的静电纺丝素纤维上，检测了细胞和材料的相容性，增殖和细胞粘附性能，结果显示这种微纳米级的丝素纤维能够促进EC的生长，并且无细胞毒性作用。另外他们用免疫组织化学的方法检测PECAM-1蛋白VE-cadherin蛋白表达水平，结果显示实验组和对照组有明显差异。这可以说明这种材料具有血管修复的应用价值。Soffer等［11］用滚筒收集器成功的制备出了内径在3 mm左右，厚度在1.8 mm左右的管状纳米丝素纤维，其平均耐受压（UTS）为2.42±0.48MPa，线性模量为2.45±0.47 MPa，这虽然和金标准的人造血管还有一段距离，但是比较胶原支架已经有了很大的提高。

3.2 丝素纳米纤维皮肤辅料的应用

Min等对纳米丝素纤维应用于皮肤辅料做了详细的研究。单独的丝素纳米纤维可以促进角质化细胞和上皮细胞的增殖。当壳聚糖负载在丝素纤维上时，能够起到止血的作用，并能够促使上皮细胞的粘附和增值。以上结果表明纳米丝素在皮肤创伤修复中能够应用［12～13］。

3.3 丝素纳米纤维在骨修复中应用

Meechaisue1等［14］用85%甲酸为溶剂溶解再生丝素，制得纺丝液，以电压为20 kv针头到接收器距离为10 cm为条件电纺，用甲醇水溶液（90/10）处理得到丝素无纺布。将鼠成骨样细胞（MC3T3-E1）种植到上述无纺布上，MTT检测细胞增殖，SEM观察细胞在机制上的生长状态。结果表明，丝素无纺布基质能够提高MC3T3-E1的增值，在骨组织工程中具有潜在的应用价值。Jin等［15］人首先将再生丝素水溶液和PEO混合制得纺丝液，电放得到丝素/PEO无纺布，甲醇固定后，37℃水洗48 h后除去PEO。当用上述材料培养人骨髓间充质细胞（hBMSC）时，发现去除PEO的丝素无纺布能够促进细胞的增值和粘附。此外，Kim等［16］人同样使用MC3T3-E1为研究对象，将其种植到丝素纳米纤维上，骨钙蛋白（OCN）含量随着时间的变化发生显著性变化。在碱性磷酸酶（ALP）和磷酸钙盐的沉积上丝素无纺布组显示出明显与塑料对照组明显的不同。为了考察这种无纺布基质在体内诱导骨形成的能力，他们使用成年雄性新西兰白兔为对象，制备了直径为8 mm全层厚度大小的颅骨创伤模型，并将丝素基质植入到创伤处，分别在4周、8周、12周观察创伤愈合情况，并进行组织学观察。结果显示，和对照组相比，实验组能够更快速地诱导新骨的形成。同时，实验组观察到完全的创伤愈合，而对照组则只是小部分的愈合。组织学切片观察显示，在愈合组织附近，实验组有更多的成骨样细胞，但是未见巨噬细胞等炎症细胞的存在。

通过改变静电纺丝技术，可以制备出三维丝素纳米支架材料，相对于二维基质，三维材料由于其有较大的孔隙率和孔径，能够显著提高MC3T3-E1增值和伸展。通过免疫印迹法检测调控细胞增值的一些信号蛋白（如FAK、Tyr397、ERK1/2等）显示出同样的结果［17］。

由于丝素蛋白性质单一，有时通过复合其他物质制备出丝素复合无纺布材料在骨修复中显得尤为重要。Li等人［18］将BMP-2、纳米羟基磷灰石（nHAP）分别复合到丝素（SF）纳米纤维上，制备出SF/BMP-2，SF/nHAP以及SF/BMP-2/nHAP复合无纺布基质。将hBMSC种植到上述丝素功能基质上，负载有BMP-2的基质能够明显提高细胞钙沉积以及各种骨分化标志蛋白的转录水平上表达。进一步的结果显示，同时负载nHAP和BMP-2的基质具有最好的促进骨分化的作用。另外，丝素和壳聚糖复合无纺布基质，在骨组织工程中的应用也有报道［19］。

4 总结

通过静电纺得到的模拟细胞外质的丝素纳米纤维能够广泛的应用修复医学的各个方面，并有很好的体外细胞粘附功能，其在人造血管、皮肤创伤修复以及骨组织工程中的研究受到了广泛关注。但静电纺丝法丝素无纺布材料在结构与制备等方面仍存在缺陷，不能满足实际临床应用需求。首先，静电纺纤维基质基本上为二维结构材料，限制了其在体内的应用，因此，获得丝素纳米纤维多孔支架材料是今后研究的一个重要方向。其次，丝素主要采用甲酸或六氟异丙醇等有机溶剂溶解制备，这些溶剂具有一定的毒性，因此，探索安全无毒方法制备丝素溶液是非常迫切的。目前科研工作者们着力通过改变静电纺丝设备以及优化纺丝过程解决上述问题，但收效甚微。利用转基因手段制备水溶性可纺重组丝素蛋白，可为制备安全可靠丝素纳米纤维基质提供一种新思路和新手段。

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App lication of Electrospun Silk Fibrion Nanofibers in Regenerative M edicine

SHI Li-yang,ZHANG Hai-ping,DENG Lian-xia,ZHU Liang-jun
（Institute ofApplied Bioresources,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China）

Electrospinning is a very effectivemethod to fabricate nanofibers.This technique has been achieved more attention due to its cheap cost,simple device and obtaining nanofibers similar to extracellularmatrix.Silk fibroin(SF)is a natural protein with good biodegradability and low immunogenicity,Therefore,it can be widely applied in tissue engineering.In this paper,we summarize the research of electrospun silk fibrion nanofibers in regenerative medicine.Furthermore,the future research work of SF nanofiberswas suggested.

silk fibrion;electrospinning;regenerativemedicine;application

S886.7

：A

0258-4069［2013］04-014-05

施李杨（1991-），男，硕士生。从事蚕丝蛋白生物资源高分子材料研究。E-mail:bshiliyang@126.com

朱良均，男，教授。E-mail:ljzhu@zju.edu.cn