静电纺丝纤维支架在软骨组织重建中的设计应用

王春晖，贺娇娇，王思涵，郭小凯，赵明璨，刘畅

(吉林大学口腔医院正畸科，吉林 长春 130021)

静电纺丝纤维支架在软骨组织重建中的设计应用

王春晖，贺娇娇，王思涵，郭小凯，赵明璨，刘畅

(吉林大学口腔医院正畸科，吉林 长春 130021)

软骨损伤是临床常见疾病之一。软骨是一种无神经和血管营养的组织，其自身修复能力很差。组织工程学为解决这一难题提供了新方法。组织工程学主要由支架材料、种子细胞和生长因子三要素构成。而其中支架材料是近年来组织工程学研究的热点。静电纺丝技术更是由于其能形成多孔隙的纳米纤维支架而备受青睐。本文具体介绍静电纺丝技术在软骨组织工程学中的设计应用。

组织工程；支架材料；静电纺丝；软骨

软骨是一种无神经和血管营养的组织，细胞只占组织体积的5%，自身修复能力很差[1]。外伤或疾病会引起关节软骨渐进性退化，最终侵及健康软骨，导致疼痛和功能障碍。目前采取外科手术手段修复软骨损伤已在临床上广泛应用，但其长远效果并不理想[2]。主要问题表现为生物化学和生物力学性能不佳、功能受限以及免疫反应等。组织工程技术的出现为组织缺损的修复提供了一种新办法。组织工程学是一门新兴的交叉学科，运用生物学和工程学的原理制造生物替代品来重建、保持或者提升生物功能。生物支架是组织工程三大要素之一，它可以为细胞提供生长所需的载体。理想的组织工程支架材料应该：容易获取、易于加工成型；对细胞无毒或低毒；对细胞粘附性好；无免疫原性或低免疫原性。

软骨组织中90%以上成分为胞外基质，细胞外基质中含有大量直径几十到几百纳米的纤维。这些纳米纤维样的结构为细胞提供了网状支撑结构。因此，纳米纤维支架更贴近软骨细胞外基质的一些特征，适用于软骨组织工程修复[3]。

近年来涌现出多种制备纳米纤维的方法如相分离法、自组装法、拉伸法、模板合成法等[4]。但若综合考虑工艺可控性、设备复杂性、成本、产率、适纺范围以及纤维尺度等方面的要求，这些方法仍具有一定的局限性。然而，静电纺丝技术是一种能够直接、连续制备纳米纤维的方法。其制备的纳米纤维直径分布一般在几纳米至几微米之间甚至更小，比表面积更大，有利于营养物质运输、细胞之间交流和有效地细胞应答[5]。其制备工艺也相对简单。如何提高静电纺纤维的生物性能，使其能更好地促进种子细胞向目的组织分化是目前研究热点。本文主要从材料选择、结构设计以及表面形貌改建三方面做简要介绍。

1 材料选择

静电纺丝原料范围极广，主要为天然高分子和合成高分子。合成高分子聚合物易于合成和修饰，但其亲水性能差并缺少细胞表面识别位点，对细胞亲和性不足。天然高分子虽生物相容性好但机械性能较差[6]。鉴于以上原因，将天然高分子和合成高分子共混可以综合它们的优势、弥补各自的不足。将胶原与聚己内酯(PCL)共混静电纺丝，与PCL静电纺纤维相比，机械性能有损失，但延展性有所提高[7]。体内试验中，共纺支架也可起到良好的支持作用。He等[8]将骨髓干细胞与软骨细胞以3：1的比例接种于明胶/PCL (50：50)共纺纤维上构建体外三明治模型，再植入裸鼠皮下培养12周后可获得软骨样组织。

无机物和有机物也可进行共纺。生物医药方面最常用的是盐/聚合物复合纳米纤维。加入盐溶液可以改变纤维直径，也会改变纤维的理化性能，例如弹性模量、亲水性能等。壳聚糖(CHT)生物相容性良好，但机械性能较差。Sambudi等[9]在CHT/聚乙烯醇溶液中加入不同质量分数的碳酸钙(CaCO3)(1～5 wt%)制备静电纺纳米纤维。结果表明，随碳酸钙质量的增加，纤维的直径由(71.5±23.4)nm增加到(140.7±15.1)nm。而弹性测试4 wt%CaCO3组弹性模量最大[(912.5±60.6)MPa]，与不加CaCO3组[(15.7±3)MPa]相比提高了60倍。聚碳酸亚丙酯是以二氧化碳和环氧丙烷为原料合成的一种可完全降解的环保型塑料，但其疏水且生物相容性不佳。将磷酸四钙与聚碳酸亚丙酯溶于二氯甲烷中制备复合纤维，体内外实验均验证复合支架亲水性有所改善，并且能支持兔骨髓干细胞增殖分化[10]。

但由于组织再生速率与材料降解速率有差异，天然聚合物与人工合成高分子材料的比例也是一个需要考虑的问题。Neves等[11]将不同比例的CHT与PCL混合电纺支架进行比较。分为CHT/PCL100：0、75：25、50：50组，接种牛关节软骨细胞培养21 d，尽管机械性能上50：50组最佳，但75：25组新生软骨组织最多。Zheng等[12]通过对比不同比例的GT/PCL(70：30、50：50、30：70)发现，过高的PCL会阻碍软骨再生。可见，共混纺纤维的组成、比例都对组织的新生有影响。

共混静电纺丝可以改善纤维的多种理化性能，但由于静电纺丝过程影响参数较多，造成种种改变的原因还不是很清楚。并且复合纤维中各组分的分布随机，要想提高纤维功能性应用，必须要对纤维进行调控。这些都是有待解决的问题。

2 结构设计

纤维结构可以决定纤维性能。通过简单静电纺设备获得的纤维集合体是由排列无序的纤维堆积而成的。通过改良收集装置、添加辅助电极等方法可在一定区域内获得定向排列的纤维。采用旋转式收集装置是制备有序纤维最为常见的一种方法，其原理是利用旋转物体对射流的物理牵引作用以达到控制纤维排列方向的目的。取向排列纤维在耐摩擦抗磨耗上优于无规则取向纤维，适合软骨组织工程[13]，并且在纤维排列规则的纺丝材料上，细胞会按照纤维排列方向生长，细胞数量与细胞外基质的分泌也相对无规则取向排列纤维有所提高。Schneider等[14]将软骨细胞分别接种于无序纳米纤维膜和有序纳米纤维膜上，扫描电镜观察显示，细胞在无规则纳米纤维膜上形态较为平展，而在有序纳米纤维膜上呈现典型纺锤状，并且观察到细胞有深入到深层纤维中的迹象。Fisher等[15]为模拟半月板环形结构，利用旋转圆盘收集器制备环状排列纳米纤维。免疫荧光染色显示细胞可按纤维走向排列，表现环状走形，与半月板解剖结构相似。

纤维集合体的形态各异，而组成纤维集合体的单根纤维的结构亦是种类繁多。通过静电纺丝不仅可以制备常见的圆形实心纤维，还可以制备出具有特殊结构的纤维。利用同轴电纺的方法，制备具有核-壳结构的纳米纤维，内芯嵌入生长因子(TGF-β1)，外壳使用PCL对内层蛋白形成包裹并支持细胞生长，该纳米纤维可促进细胞粘附并可促进干细胞成软骨[16]。

综上，纤维的排列结构与纤维的理化性能对成软骨分化及软骨样组织的形成都有很大影响。这就需要我们掌握目标组织的形态结构、物理性能等，才能制备出结构上更相似、性能上更接近的生物支架。

3 表面修饰技术

研究发现大部分力学性能良好的聚合物，其表面通常表现出生物惰性；而一些具备活泼表面性质的聚合物，却不具备良好的力学性能。表面修饰可以通过一些理化方法对材料表面进行处理，使其在保持原有性能的前提下，赋予纤维新的表面性能。等离子修饰技术和表面接枝修饰技术是近年来在生物材料表面修饰中最常用的两种技术。等离子体是部分离子化的气体。经等离子体处理的静电纺纤维表面形成碳自由基，使得纤维膜的亲水性大大改善，并且有利于细胞最初的粘附。经等离子修饰后，具有碳自由基的静电纺纤维当其暴露在具有不饱和键的聚合物单体环境中时，将会引发接枝聚合反应。静电纺左旋聚乳酸(PLLA)经氧气等离子体修饰后，浸于阳离子凝胶中，获得修饰后的静电纺纤维。与对照组(未经处理PLLA静电纺纤维)相比实验组纳米纤维更利于细胞的粘附迁移与增殖，且能促进细胞分化[17]。运用表面活性处理剂也可以达到激发表面活性的目的。聚氨酯经二羟基烷处理后产生自由基，浸泡于纤维蛋白结合溶液中发生接枝反应。经处理后的纤维膜接种细胞后，细胞分泌胶原增多，且细胞排列也较为规则[18]。

近年来脱细胞基质由于其独特的生物特性在组织工程领域也有广阔应用。也可以利用脱细胞基质对静电纺纤维膜进行表面修饰。Liao等[19]先将软骨细胞接种于聚己内酯纤维上，培养9 d后进行脱细胞处理，获得脱细胞基质包被的纤维支架，该支架可有效诱导干细胞成软骨分化，效果与生长因子(TGF-β3)相似。也有学者选择共培养细胞制备脱细胞基质，也可达到诱导目的[20]。

4 总 结

总的来说，静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。在软骨组织工程中仍有广阔的前景。但其面临一些有待解决的问题。首先，用于静电纺丝的天然高分子品种有限，对所得产品的结构和性能研究还不够完善，目前都处于实验室阶段，产业化生产还存在较大问题。其次，在纤维结构调控方面还面临一些挑战。从实验研究到全面介入临床、服务患者，静电纺丝纤维作为生物支架还有很长的路要走。这都需要研究者继续开展深入的研究工作。

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Application of electrospinning technology in the cartilage tissue engineering.

WANG Chun-hui,HE Jiao-jiao,WANG Si-han,GUO Xiao-kai,ZHAO Ming-can,LIU Chang.School of Stomatology,Jilin University,Changchun 130021,Jilin, CHINA

Cartilage injury is one of clinical common diseases.Since cartilage is a kind of tissue without nerves and blood vessels,its self-repair ability is limited.Tissue engineering provides an approach to solve this problem.Tissue engineering is mainly composed of scaffolds,seeding cells and growth factors.And the scaffold material is a hot spot in the research of tissue engineering in recent years.Electrospinning can produce polymer fibers with diameters down to nanoscale dimensions and form high porosity non-woven mat.This paper introduces the application of electrospinning technology in the cartilage tissue engineering.

Tissue engineering;Scaffolds;Electrospinning;Cartilage

R329.3

A

1003—6350（2016）19—3197—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.19.034

2015-12-21)

刘畅。E-mail：lcwztt@gmail.com