靜電紡絲素納米纖維在生物醫學組織工程領域的研究進展

唐培朵， 戴 俊， 楊曉東， 韋凌志

(1.廣西科學院，廣西 南寧 530007；2.廣西科學院應用物理研究所，廣西 南寧 530003)

引 言

天然材料中的絲素蛋白(SF)來源于蠶絲，由蠶絲經過脫膠制得，是一種天然高純度蛋白質，由乙氨酸、丙氨酸、絲氨酸等20余種氨基酸組成，最終降解產物是氨基酸或寡肽，可被機體吸收。同時SF擁有良好的生物相容性、透氧性、生物可降解性以及植入體內的炎癥反應微小等特點，在生物醫學領域應用十分廣泛。靜電紡絲是制備超細纖維和納米纖維的一種常用方法，以天然或者合成聚合物為原料，可以制備出直徑從幾十納米至幾微米的纖維[1-3]。利用靜電紡絲技術制備的SF納米纖維材料，保留了SF優良的生物相容性特性，并具有三維多孔結構，比表面積大且孔隙率高，能高度模仿了細胞外基質結構，促進組織再生，可廣泛應用于組織工程、醫藥工程等許多領域[4-7]。

組織工程是將工程學和生命科學進行結合，利用生物材料制備病損組織模型，并經過在模型上種植細胞，達到模仿病損組織的形態，使其恢復為病損前的結構并具備該組織原有功能。經典的組織工程技術具備三個基本要素，即種子細胞、生物支架、生物因子。采用相關工藝技術制備成具有特定形狀、結構和性能的組織工程支架，然后將一定數量的種子細胞接種到支架上，在生物因子的程序性刺激下，細胞按照預定的程序合成分泌相應的細胞外基質，并以生物支架為模板組裝成特定的結構，同時生物支架逐漸降解為新生組織提供空間，從而最終修復受損組織和器官。近年來，采用靜電紡技術制備的SF多孔納米纖維支架材料，具有結構可控、成本低廉、比表面積大和易于表面功能化修飾的特點，已經廣泛應用于骨、血管、神經、軟骨、泌尿系統等組織和器官工程領域。

1 骨組織工程

骨組織工程材料作為人體支撐結構的替代物，需要有良好的力學性能。通常單一絲素蛋白作為電紡材料，由于其力學性能差，無法滿足組織工程支架的使用要求，因此需對其進行交聯或共混改性。朱海霖[8]等采用靜電紡絲法制備了SF/硅酸鈣(CS)復合納米纖維。該復合纖維材料中SF的結構以SilkⅡ為主，親水性比純SF纖維要好，直徑為200 nm～400 nm，孔隙率約78%。研究發現質量分數為20%的SF/CS復合納米纖維在模擬體液中浸泡7 d后，表面覆蓋了較厚的碳酸羥基磷灰石層，在Tris緩沖溶液中浸泡12周后的降解率達42.4%，這說明該復合纖維具有良好的生物活性和降解性，有望作為生物活性骨組織修復材料。浙江理工大學的王利君等[9]通過靜電紡絲技術制備出聚乳酸-聚己內酯/絲素蛋白(PLA-PCL/SF)復合納米纖維膜支架，經醇處理后，絲素蛋白相由無規自由態轉變為β折疊結構。研究表明，隨著復合納米纖維膜中SF含量的增加，纖維膜的親水性逐漸提高，有利于老鼠3T3類成骨細胞的黏附和增殖。同樣，蔡江瑜等[10]通過靜電紡絲技術制備了絲素蛋白/聚乳酸-聚己內酯[SF/P(LLA-CL)]納米纖維支架，將支架與小鼠胚胎成骨細胞前體細胞MC3T3-E1復合培養，研究表明，SF/P(LLA-CL)納米纖維支架具有較好的細胞相容性，能有效促進兔腱-骨愈合。

2 軟骨組織工程

軟骨是另一種類型的密集連接組織，由軟骨細胞和不含血管、神經的細胞外基質構成。這在軟骨修復的組織工程中，一個具有良好物理性能的三維支架很重要，要求細胞可以在支架提供的模擬細胞外基質的環境中生長，這種細胞/生物材料復合物在體外培養成熟后，移植到軟骨組織病損部位，植入的細胞不斷地增殖、分化，進而恢復受損軟骨組織的生理功能。因此支架材料的生物安全性及相容性是研究的重點。張曉燕等[11]采用靜電紡絲方法制備了絲素蛋白/左旋聚乳酸(SF/PLLA)復合納米纖維材料，兔膝關節軟骨細胞體外培養實驗研究表明，SF/PLLA材料無毒，屬于可以安全植入體內的生物材料。并將該支架材料埋入小鼠皮下，引起的組織反應與不可吸收縫線類似，引起的炎癥反應較輕微，表現出良好的組織相容性；該材料與軟骨細胞復合后，細胞與材料表現出良好的黏附性，具有良好的生物相容性。孫瑩等[12]將兔膝關節軟骨細胞與絲素蛋白/左旋聚乳酸(SF/PLLA)支架材料復合培養,在第3、7、14天分別作HE染色和阿利新藍+核固紅染色，掃描電鏡檢驗細胞黏著情況，MTT試驗檢測細胞在支架上的增殖情況。結果顯示，絲素蛋白/左旋聚乳酸(SF/PLLA)具有良好的細胞相容性，細胞在支架上可以獲得良好的粘附，細胞增殖良好無細胞表型的變化，可作為軟骨組織工程支架材料。李偉豪等[13]利用高壓靜電紡絲技術將絲素蛋白/聚己內酯(SF/PCL)溶液制備成三維支架式的纖維膜性結構。通過在SF/PCL三維支架膜上添加下頜骨髁狀突軟骨細胞(MCCs)培養液，觀測SF/PCL三維支架膜上軟骨細胞的生長情況探索其生物相容性及降解性能，結果顯示，SF/PCL三維支架具有良好的生物相容性和可降解性，為進一步研究生物支架修復軟骨組織損傷或缺損提供了實驗依據。

3 血管組織工程

血管組織工程利用生物材料模擬損傷組織并重新種植或替換于原有組織上。最初研究者使用血管細胞結合天然基質分子組成組織工程血管，早期出現如人工血管內皮層容易脫落、抗凝效果欠佳及體外抗增耗時較長等問題，而組織工程血管選用更適合的材料，以期構建出抗凝效果好、生物相容性及安全性較好的材料，對臨床修復受損血管有著重大意義。周偉[14]將絲素蛋白(SF)和乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)溶解在HFIP中配制成溶液,采用靜電紡絲技術制備了SF/PLGA納米纖維支架,并考察了纖維支架表面對HUVECs細胞的相容性。結果表明:HUVECs可在SF/PLGA纖維支架表面很好的黏附和增殖，支架具有良好的細胞相容性，在血管組織工程領域有良好的應用前景。馬力等[15]以殼聚精、SF等為天然骨架材料，經硫酸化修飾后，以靜電紡技術纏繞、編織等制備了具有良好力學穩定性的殼聚糖-硫酸化絲素蛋白小口徑人工血管，內徑為3 mm，研究發現實驗組血管形成了內皮細胞層、平滑肌層和成纖維細胞層 3層主要血管組織，在組織形態上與正常對照組血管無顯著差別，說明殼聚糖-硫酸化絲素蛋白人工血管具有較好的生物相容性及功效性能。

4 神經組織工程

靜電紡納米纖維具有高的表面積體積比和孔隙率，其網絡結構非常適合神經組織工程種子細胞的生長以及廢物和營養物質的運輸。蘇州大學的董運海等[16]在再生SF納米纖維網上種植星形膠質細胞，研究星形膠質細胞在其上的粘附、生長、增殖和遷移等生命活動。研究發現，該材料不僅支持星形膠質細胞的黏附與生長，而且還對細胞的遷移運動有引導作用，這些特點可以使得再生SF納米纖維成為極具開發潛力的神經組織工程替代物。張魯中等[17]采用靜電紡絲技術制備SF/聚己內酯(PCL)納米纖維支架。在體外，將雪旺細胞與支架及其浸提液共培養，并將纖維支架材料在體外置于蛋白酶ⅪⅤ溶液進行體外降解，研究發現，SF/PCL納米纖維支架材料，呈現三維網狀結構，支持雪旺細胞黏附與生長，無細胞毒性，具有良好的生物相容性和生物可降解性。同時也通過皮下埋植實驗觀察纖維材料在體內的局部組織反應。結果表明，皮下移植實驗未引起明顯免疫排斥反應，炎癥反應輕。有望用于神經組織工程支架材料修復神經缺損。趙亞紅等[18]則以石墨烯(Gr)和SF為原料，采用靜電紡絲技術制備Gr-SF納米纖維，并將雪旺細胞種植在該材料上，研究結果表明Gr-SF納米膜具有合適的親水性、導電性、孔隙率等理化特性，可支持共培養的雪旺細胞成活和增殖，具有良好的體外生物相容性，有望用于神經組織工程的制備。

目前，絲素蛋白已應用在神經系統修復方面，尤其在脊髓組織工程中也有一定的應用。由于脊髓組織的軟組織特性，用于植入脊髓的支架材料常選用含水量高，且力學特性類似脊髓的材料，以絲素蛋白材料為構架的脊髓生物支架，已被證實可以修復或部分修復受損的脊髓神經功能。絲素蛋白材料能夠支持骨髓間充質干細胞、表皮細胞、成纖維細胞、神經細胞、嗅鞘細胞、血管內皮細胞等多種細胞的黏附、生長、發育、增殖、分化等。蘇州大學的錢玉強等[19]將嗅鞘細胞接種到絲素蛋白納米纖維上，實驗結果表明，SF微納米纖維網支持嗅鞘細胞的黏附、生長與增殖，生物相容性良好，有望成為修復或部分修復受損的脊髓神經功能的組織工程支架材料。本課題組也曾將SF納米纖維導管 (內徑1.5 mm)植入老鼠體內修復坐骨神經10 mm缺損，4個月后神經完全再生，功能得到部分恢復。這說明，SF微納米纖維支架材料與神經類細胞有良好的生物相容性，支持細胞的黏附、生長與增殖，能夠促進并引導缺損神經再生。

5 泌尿系統工程

魏蓋杰等[20]將再生絲素膜、水溶性膠原蛋白粉末及聚己內酯按不同質量比共同溶于HFIP中，采用靜電紡絲法制備了PCL/膠原/SF納米纖維支架，并將體外培養的口腔黏膜上皮細胞接種至材料表面，研究表明，該支架材料具備合適的孔徑和孔隙率，適合口腔黏膜上皮細胞生長，且細胞相容性良好，是一種組織工程尿道重建良好的支架載體。謝敏凱等[21]通過靜電紡絲技術制備新型的經拉伸處理的SF材料，并將從實驗組動物中獲得、培養、擴增其尿路上皮細胞，種植于該材料上，培養1周，獲得組織工程移植物，體外實驗表明，經拉伸處理的靜電紡SF材料為三維多孔結構，尿路上皮細胞在該材料上生長良好，可在材料表層多層生長，且細胞能滲透入材料內部。在動物體內實驗中，實驗組動物未表現排尿困難，尿道造影示尿道未見明顯狹窄,組織學檢測顯示術后1個月1層～2層上皮細胞覆蓋修復部位，上皮細胞逐漸生長，無炎癥反應，在術后6個月形成典型的尿路上皮細胞結構。因此可以得出，經拉伸處理后的靜電紡SF材料有良好的生物相容性，可成為潛在的尿道重建材料。蔣丹等[22]以絲素蛋白(RSF)/膀胱脫細胞基質(BAM)/透明質酸(HA)水溶液為紡絲液,通過靜電紡絲法制備RSF/BAM/HA復合纖維支架。利用BAM 中的內源性生長因子，以期提高RSF/BAM/HA復合纖維支架的生物活性；考察了豬髖血管內皮細胞(PIECs)細胞在支架材料上的生長和粘附情況。結果表明，這些生物活性因子使RSF/BAM/HA復合纖維支架比純RSF支架更有利于細胞的粘附與增殖。RSF/BAM/HA復合纖維支架良好的生物相容性、生物活性以及生物降解性使其在泌尿系統組織修復中具有廣闊的應用前景。

6 結束語

在制備納米纖維材料的所有工藝方法中，靜電紡絲被認為是最簡單也是最有效的方法。由于納米纖維材料模擬了組織中天然細胞外基質結構，近年來通過靜電紡絲將SF加工成三維納米纖維支架材料成為了研究熱點。盡管SF納米纖維在生物醫學組織工程領域的應用研究上已經取得一定成果，但臨床應用仍面臨許多問題，大部分還處在實驗階段。目前，絲素蛋白主要被靜電紡絲加工成微納米纖維網、導管和三維材料(柱狀體等)，這些材料的形態、結構、力學性能、生物學性能已經得到了廣泛的研究。隨著生物技術的日新月異，靜電紡絲技術的不斷進步和發展，SF納米纖維在生物醫學領域將會展現出更廣闊的應用前景。