靜電紡絲纖維支架在軟骨組織重建中的設計應用

王春暉，賀嬌嬌，王思涵，郭小凱，趙明璨，劉暢

(吉林大學口腔醫院正畸科，吉林 長春 130021)

靜電紡絲纖維支架在軟骨組織重建中的設計應用

王春暉，賀嬌嬌，王思涵，郭小凱，趙明璨，劉暢

(吉林大學口腔醫院正畸科，吉林 長春 130021)

軟骨損傷是臨床常見疾病之一。軟骨是一種無神經和血管營養的組織，其自身修復能力很差。組織工程學為解決這一難題提供了新方法。組織工程學主要由支架材料、種子細胞和生長因子三要素構成。而其中支架材料是近年來組織工程學研究的熱點。靜電紡絲技術更是由于其能形成多孔隙的納米纖維支架而備受青睞。本文具體介紹靜電紡絲技術在軟骨組織工程學中的設計應用。

組織工程；支架材料；靜電紡絲；軟骨

軟骨是一種無神經和血管營養的組織，細胞只占組織體積的5%，自身修復能力很差[1]。外傷或疾病會引起關節軟骨漸進性退化，最終侵及健康軟骨，導致疼痛和功能障礙。目前采取外科手術手段修復軟骨損傷已在臨床上廣泛應用，但其長遠效果并不理想[2]。主要問題表現為生物化學和生物力學性能不佳、功能受限以及免疫反應等。組織工程技術的出現為組織缺損的修復提供了一種新辦法。組織工程學是一門新興的交叉學科，運用生物學和工程學的原理制造生物替代品來重建、保持或者提升生物功能。生物支架是組織工程三大要素之一，它可以為細胞提供生長所需的載體。理想的組織工程支架材料應該：容易獲取、易于加工成型；對細胞無毒或低毒；對細胞粘附性好；無免疫原性或低免疫原性。

軟骨組織中90%以上成分為胞外基質，細胞外基質中含有大量直徑幾十到幾百納米的纖維。這些納米纖維樣的結構為細胞提供了網狀支撐結構。因此，納米纖維支架更貼近軟骨細胞外基質的一些特征，適用于軟骨組織工程修復[3]。

近年來涌現出多種制備納米纖維的方法如相分離法、自組裝法、拉伸法、模板合成法等[4]。但若綜合考慮工藝可控性、設備復雜性、成本、產率、適紡范圍以及纖維尺度等方面的要求，這些方法仍具有一定的局限性。然而，靜電紡絲技術是一種能夠直接、連續制備納米纖維的方法。其制備的納米纖維直徑分布一般在幾納米至幾微米之間甚至更小，比表面積更大，有利于營養物質運輸、細胞之間交流和有效地細胞應答[5]。其制備工藝也相對簡單。如何提高靜電紡纖維的生物性能，使其能更好地促進種子細胞向目的組織分化是目前研究熱點。本文主要從材料選擇、結構設計以及表面形貌改建三方面做簡要介紹。

1 材料選擇

靜電紡絲原料范圍極廣，主要為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飾，但其親水性能差并缺少細胞表面識別位點，對細胞親和性不足。天然高分子雖生物相容性好但機械性能較差[6]。鑒于以上原因，將天然高分子和合成高分子共混可以綜合它們的優勢、彌補各自的不足。將膠原與聚己內酯(PCL)共混靜電紡絲，與PCL靜電紡纖維相比，機械性能有損失，但延展性有所提高[7]。體內試驗中，共紡支架也可起到良好的支持作用。He等[8]將骨髓干細胞與軟骨細胞以3：1的比例接種于明膠/PCL (50：50)共紡纖維上構建體外三明治模型，再植入裸鼠皮下培養12周后可獲得軟骨樣組織。

無機物和有機物也可進行共紡。生物醫藥方面最常用的是鹽/聚合物復合納米纖維。加入鹽溶液可以改變纖維直徑，也會改變纖維的理化性能，例如彈性模量、親水性能等。殼聚糖(CHT)生物相容性良好，但機械性能較差。Sambudi等[9]在CHT/聚乙烯醇溶液中加入不同質量分數的碳酸鈣(CaCO3)(1～5 wt%)制備靜電紡納米纖維。結果表明，隨碳酸鈣質量的增加，纖維的直徑由(71.5±23.4)nm增加到(140.7±15.1)nm。而彈性測試4 wt%CaCO3組彈性模量最大[(912.5±60.6)MPa]，與不加CaCO3組[(15.7±3)MPa]相比提高了60倍。聚碳酸亞丙酯是以二氧化碳和環氧丙烷為原料合成的一種可完全降解的環保型塑料，但其疏水且生物相容性不佳。將磷酸四鈣與聚碳酸亞丙酯溶于二氯甲烷中制備復合纖維，體內外實驗均驗證復合支架親水性有所改善，并且能支持兔骨髓干細胞增殖分化[10]。

但由于組織再生速率與材料降解速率有差異，天然聚合物與人工合成高分子材料的比例也是一個需要考慮的問題。Neves等[11]將不同比例的CHT與PCL混合電紡支架進行比較。分為CHT/PCL100：0、75：25、50：50組，接種牛關節軟骨細胞培養21 d，盡管機械性能上50：50組最佳，但75：25組新生軟骨組織最多。Zheng等[12]通過對比不同比例的GT/PCL(70：30、50：50、30：70)發現，過高的PCL會阻礙軟骨再生。可見，共混紡纖維的組成、比例都對組織的新生有影響。

共混靜電紡絲可以改善纖維的多種理化性能，但由于靜電紡絲過程影響參數較多，造成種種改變的原因還不是很清楚。并且復合纖維中各組分的分布隨機，要想提高纖維功能性應用，必須要對纖維進行調控。這些都是有待解決的問題。

2 結構設計

纖維結構可以決定纖維性能。通過簡單靜電紡設備獲得的纖維集合體是由排列無序的纖維堆積而成的。通過改良收集裝置、添加輔助電極等方法可在一定區域內獲得定向排列的纖維。采用旋轉式收集裝置是制備有序纖維最為常見的一種方法，其原理是利用旋轉物體對射流的物理牽引作用以達到控制纖維排列方向的目的。取向排列纖維在耐摩擦抗磨耗上優于無規則取向纖維，適合軟骨組織工程[13]，并且在纖維排列規則的紡絲材料上，細胞會按照纖維排列方向生長，細胞數量與細胞外基質的分泌也相對無規則取向排列纖維有所提高。Schneider等[14]將軟骨細胞分別接種于無序納米纖維膜和有序納米纖維膜上，掃描電鏡觀察顯示，細胞在無規則納米纖維膜上形態較為平展，而在有序納米纖維膜上呈現典型紡錘狀，并且觀察到細胞有深入到深層纖維中的跡象。Fisher等[15]為模擬半月板環形結構，利用旋轉圓盤收集器制備環狀排列納米纖維。免疫熒光染色顯示細胞可按纖維走向排列，表現環狀走形，與半月板解剖結構相似。

纖維集合體的形態各異，而組成纖維集合體的單根纖維的結構亦是種類繁多。通過靜電紡絲不僅可以制備常見的圓形實心纖維，還可以制備出具有特殊結構的纖維。利用同軸電紡的方法，制備具有核-殼結構的納米纖維，內芯嵌入生長因子(TGF-β1)，外殼使用PCL對內層蛋白形成包裹并支持細胞生長，該納米纖維可促進細胞粘附并可促進干細胞成軟骨[16]。

綜上，纖維的排列結構與纖維的理化性能對成軟骨分化及軟骨樣組織的形成都有很大影響。這就需要我們掌握目標組織的形態結構、物理性能等，才能制備出結構上更相似、性能上更接近的生物支架。

3 表面修飾技術

研究發現大部分力學性能良好的聚合物，其表面通常表現出生物惰性；而一些具備活潑表面性質的聚合物，卻不具備良好的力學性能。表面修飾可以通過一些理化方法對材料表面進行處理，使其在保持原有性能的前提下，賦予纖維新的表面性能。等離子修飾技術和表面接枝修飾技術是近年來在生物材料表面修飾中最常用的兩種技術。等離子體是部分離子化的氣體。經等離子體處理的靜電紡纖維表面形成碳自由基，使得纖維膜的親水性大大改善，并且有利于細胞最初的粘附。經等離子修飾后，具有碳自由基的靜電紡纖維當其暴露在具有不飽和鍵的聚合物單體環境中時，將會引發接枝聚合反應。靜電紡左旋聚乳酸(PLLA)經氧氣等離子體修飾后，浸于陽離子凝膠中，獲得修飾后的靜電紡纖維。與對照組(未經處理PLLA靜電紡纖維)相比實驗組納米纖維更利于細胞的粘附遷移與增殖，且能促進細胞分化[17]。運用表面活性處理劑也可以達到激發表面活性的目的。聚氨酯經二羥基烷處理后產生自由基，浸泡于纖維蛋白結合溶液中發生接枝反應。經處理后的纖維膜接種細胞后，細胞分泌膠原增多，且細胞排列也較為規則[18]。

近年來脫細胞基質由于其獨特的生物特性在組織工程領域也有廣闊應用。也可以利用脫細胞基質對靜電紡纖維膜進行表面修飾。Liao等[19]先將軟骨細胞接種于聚己內酯纖維上，培養9 d后進行脫細胞處理，獲得脫細胞基質包被的纖維支架，該支架可有效誘導干細胞成軟骨分化，效果與生長因子(TGF-β3)相似。也有學者選擇共培養細胞制備脫細胞基質，也可達到誘導目的[20]。

4 總 結

總的來說，靜電紡絲以其制造裝置簡單、紡絲成本低廉、可紡物質種類繁多、工藝可控等優點，已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一。在軟骨組織工程中仍有廣闊的前景。但其面臨一些有待解決的問題。首先，用于靜電紡絲的天然高分子品種有限，對所得產品的結構和性能研究還不夠完善，目前都處于實驗室階段，產業化生產還存在較大問題。其次，在纖維結構調控方面還面臨一些挑戰。從實驗研究到全面介入臨床、服務患者，靜電紡絲纖維作為生物支架還有很長的路要走。這都需要研究者繼續開展深入的研究工作。

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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)

劉暢。E-mail：lcwztt@gmail.com