生物医学领域

作为一种用于再生药物的智能生物材料,脱细胞的胞外基质(ECM)近来受到广泛关注。研究人员成功改进了成人骨髓间充质干细胞(hMSC)衍生的ECM对于骨关节炎(OA)软骨细胞的拯救作用,进一步刺激健康(HL)软骨细胞进行分化。实验过程为,在基础培养基(BM)和软骨细胞培养基(CM)中培养的hMSC经过脱细胞化,即可得到ECM。之后,将此ECM与聚ε-己内酯(PCL)的溶液(溶剂为1,1,1,3,3,3-全氟丁二烯-2-异丙醇,HFIP)进行混合,以静电纺丝法制备网状结构。将电纺得到的ECM骨架结构用扫描电子显微镜(SEM)进行表征,并用天狼猩红进行染色来确认胶原蛋白的存在。OAHL软骨细胞分别附着于hMSC ECM-PCL网状骨架上,并分别在BMCM中进行培养,同时用不含ECMPCL电纺支架结构作为对照。新陈代谢的活性和软骨细胞的基因表达分别用阿拉玛蓝化验法和定量PCR进行分析。结果表明,有ECM存在的网状支架与不含ECMPCL电纺支架相比,在软骨细胞的新陈代谢活性上有显著的区别。附着于hMSC ECM(来自BM-PCL骨架上的HL软骨细胞在CM中培育21天后,在胶原蛋白II型和聚集蛋白聚糖的表达上显著优于hMSC ECM(来自CM-PCL骨架和无ECMPCL骨架。对于OA中软骨细胞的形成,hMSC ECM没有明显的影响。脱细胞化的hMSC ECMHL软骨细胞的影响表明,hMSC衍生的ECM骨架是可用于软骨组织工程的一种很有发展前景的材料。

Thakkar, S.;Ghebes, C. A.;Ahmed, M.;etc.Mesenchymal stromal cell-derived extracellular matrix influences gene expression of chondrocytes. Biofabrication, 2013, 5 (2), 025003 (11 pp.)-025003 (11 pp.).

An, B[1]等查阅了近年有关改进电纺技术促进支架内细胞渗透生长的相关文献,对相关技术方法和效果进行了回顾和综合分析。电纺参数调节、电纺支架加工修饰、细胞-支架复合物动态培养和其它方法等均可改进,但效果有限,仍需进一步优化。电纺技术应用瓶颈在于其致密排列的纤维和过小的腔隙孔径,限制了支架内细胞的渗透生长。

Farrugia, B.L[2]等将“熔融静电纺丝”和“可编程x-y模式”结合,制备了可细胞侵入的多孔聚ε-己内酯(PCL)支架结构。通过可编程x-y模式收集熔融静电纺PCL纤维,可使纤维在微观形态上线性排列这种纤维的直径为7.5 ±1.6 μm,纤维间距在8-133μm之间变化,允许细胞渗透的平均间距为46 ± 22 μm。微计算机X线断层摄影技术的检测显示,纤维支架具有高度多孔(87%)的三维结构。由于其高度多孔性和相互连结性,可以采用顶端播种技术对成纤细胞进行渗透,使细胞处于贯穿该支架孔洞或位于其下的位置,这种方法可以在组织结构上予以证明。全细胞渗透的3D成纤细胞支架可以在体外经14天完成构建。通过免疫组织化学,确认了真皮细胞外基质蛋白、胶原蛋白I型和纤连蛋白的存在和分布。这些结果表明,仅需使用简单的顶端播种技术,直接写入模式下的熔融电纺便可制备细胞侵入性的支架,应用于皮肤组织工程。通过支架的设计、支架加工修饰、安排方式等可更好地控制细胞渗透生长,弥补了目前介于溶液静电纺丝和很多传统添加技术之间研究空白。

[1]安博,孙铭泽,孙明林. 促进静电纺丝支架中细胞渗透生长的研究进展 [J].中国修复重建外科杂志.2013(02)。

[2]Farrugia, B. L.; Brown, T. D.; Upton, Z.; etc. Biofabrication, 2013, 5 (2), 025001 (11 pp.)-025001 (11 pp.)

静电纺丝技术制备的纳米纤维,由于其具有多孔结构、比表面积大等特点,一直受到生物医学领域的青睐。视网膜退化性疾病,如青光眼、黄斑变性等,世界数以万计的人受其影响最终导致视网膜细胞死亡和失明,光受体细胞移植疗法表明了功能的集成和恢复,但是移植至神经节细胞层更复杂,需要轴突从移植细胞层引导至视乳头,以便到达大脑的靶向位置。Kador, Karl E等制备了一种可生物降解的静电纺支架用于视网膜神经节细胞(RGC)轴突的放射性生长,在视网膜上摹拟轴突取向。这种支架使得RGC存活率增加,电学性能

无明显改变,81%RGC细胞被观察到轴突沿着支架纤维放射性生长,与视网膜移植组织的神经纤维层排列无明显不同;当移植到视网膜移植组织时,静电纺支架上的RGC沿宿主视网膜神经纤维呈放射状,然而直接移植的RGC轴突生长呈任意状生长。因此,这种支架作为细胞传递介质是现代眼科学研究迈出的非常重要的一步,有助于应用细胞移植疗法治疗青光眼以及其它视网膜退化性疾病。

Kador, K. E.; Montero, R. B.; Venugopalan, P.; etc. Tissue engineering the retinal ganglion cell nerve fiber layer. Biomaterials, 2013, 34 (17), 4242-50.

静电纺丝、自组装、相分离等均是有效合成纳米纤维的技术。其中,静电纺丝是一种可直接将各种聚合物混合,制备超细纤维最简单且通用的方法。聚乳酸(PLLA)和聚乙烯醇(PVA)是应用于生物医用领域,可生物降解且具有良好生物相容性的聚合物。 Elakkiya, T等通过静电纺丝方法分别制备得到了质量比为1910wt%)的 PLLA/PVA复合纳米纤维膜以及PVA(10wt%)纯纳米纤维膜。其孔隙率百分比分别为83%80%,这表明将PLLA掺入PVA中混合,有助于提高PVA膜的孔隙率;亲水性测试表明,将PLLA掺入PVA中,使膜的接触角从39 ± 3°提高至55 ± 3°。通过MTT含量测定方法,采用成纤细胞(NIH 3T3)对 PLLA/PVA复合纤维膜的生物相容性进行研究,4天内,体外实验PLLA/PVA中姜黄素(0.5-1.5wt%)的释放比例约为78%-80%。这个研究有效的说明了静电纺PLLA/PVA在生物相容性支架领域具有的潜能性。

Elakkiya, T.; Sheeja, R.; Ramadhar, K.; Natarajan, T. S., Biocompatibility studies of electrospun nanofibrous membrane of PLLA-PVA blend. Journal of Applied Polymer Science, 2013, 128 (5), 2840-2846.

胶原蛋白是一种生物性高分子,用传统的溶剂进行胶原蛋白电纺丝时,会导致蛋白变性,若含有50%电解质盐时,则可能导致纤维结构的机械性能和水溶液稳定性较差。胶原蛋白纤维必须通过一定的修饰技术(例如交联)来克服强度和稳定性的限制。但是,现有的交联技术要么具有细胞毒性,要么无效。Jiang, Q等将胶原蛋白溶于低腐蚀性、温和的乙醇-水溶液中,以柠檬酸为交联剂,丙三醇作为扩链剂进行交联,用静电纺丝的方法制备得到了具有较好的细胞相容性以及水溶液稳定性的微胶原纤维。在进行电纺丝之后,胶原蛋白的天然构象得以保持,而且交联之后大幅度增强了干/湿状态下的强度和水溶液稳定性。在37℃的磷酸盐缓冲液中,电纺制备的交联纤维能够保持其纤维结构长达30天。相比于戊二醛交联的胶原蛋白纤维,柠檬酸交联的胶原蛋白纤维能使细胞更好地附着和生长。

Jiang, Q.; Reddy, N.; Zhang, S.; Roscioli, N.; Yang, Y., Water-stable electrospun collagen fibers from a non-toxic solvent and crosslinking system. Journal of biomedical materials research. Part A, 2013, 101 (5), 1237-47

其它领域

一维SiO2纳米纤维以其独特的长径比,优异的力学性能及热学性能,广泛应用于分离、催化以及传感器领域。Yang, Y[1]等以高压静电纺丝技术为基础,结合无模板剂的溶胶-凝胶法合成了直径均匀、连续无裂痕的SiO2纳米纤维。研究表明,合成的SiO2纳米纤维形貌良好,直径约为0.53μm,为无定形结构。通过改变陈化时间,调整凝胶的粘稠度,从而控制电纺SiO2的形貌与结构,得到了SiO2碗状结构和不同直径的纳米纤维,证明了利用无模板的溶胶-凝胶法静电纺丝的可行性。

同种思路,不同的是,Shamshi Hassan, M[2]等使用溶胶-凝胶静电纺丝方法,将PANFe(NO3)3·9H2O作为前驱体,得到了CNFs- Fe3O4复合纳米纤维。通过形态学观察,纳米纤维具有多孔结构,直径在26μm左右,为了证明 CNFs- Fe3O4支架的广泛适用性,研究人员做了不同的分析测试。以大肠杆菌作为模式生物体进行抗菌性测试, NIH 3T3老鼠成纤细胞测定了 CNFs- Fe3O4复合静电纺多孔支架的细胞毒性、成纤细胞生长行为等。测试结果表明,CNFs- Fe3O4复合纤维使杀菌性能增强(最小抑制浓度5 μg/mL-80μg/mL),且CNFs- Fe3O4复合纤维支架有利于细胞增殖。本次实验结果可以看出,纤维直径较小且具有独特孔径结构的 CNFs- Fe3O4多功能复合纤维支架可以很好摹拟天然细胞外基质,在组织工程和再生医学领域具有潜在的应用价值,同时,用于水净化过滤、抗生物淤积过滤以及组织工程细胞外基质也都具有很大优势。

目前,利用植物提取物治疗烧伤和伤口已是一种惯例的做法,而植物除了可用于生物医用领域,由于其具有无毒、无污染、可再生等特点,对于包装领域来说也是一个新视角。Jose Fabra, M[1]等介绍了含有电纺制备的玉米蛋白纳米纤维的高屏障夹层的聚羟基丁酸戊酸共聚酯(戊酸酯含量12%PHBV12的多层结构。通过观察发现,PHBV12的制备方法会影响其功能性质,对于具有外层结构的多层材料来说,压塑法比铸造法具有较高的机械阻力以及较低的水蒸气渗透性和透明度。加入玉米蛋白夹层对于材料的机械和光学性能影响极小,但是无论对于以上哪一种制备方法,玉米蛋白的纳米结构却显著地改善了多层膜的氧气隔绝性能。同时,夹层对于水蒸气和柠檬烯的渗透性取决于玉米蛋白的含量。此种创新方法制备的完全可再生的微生物聚酯多层结构所具有的高阻隔性,在食品包装材料的研究中将会引起极大地兴趣。

Aceituno-Medina, M[2]应用静电纺丝技术获得了苋属植物分离蛋白(API)新型超薄结构。研究结果表明,当溶剂为甲酸、pH值为pH2pH12、加入Tween 80和含少量巯基乙醇的表面活性剂时,可获得胶囊结构,并使溶液的可纺性提高。类纤维形貌只在使用有机溶剂六氟异丙醇(HFIP)时获得,促进了无规线圈结构的形成,从而导致生物高分子的缠结增多。本项研究同时证明了API能否形成胶囊结构,不仅取决于蛋白质结构而且还与溶液性质有关,如导电性、表面张力以及粘度……。API甲酸溶液的结构可以应用于食品包装英语,作为一种新型食品材料或者作为食品材料的封装结构。

[1]Jose Fabra, M.; Lopez-Rubio, A.; Lagaron, J. M., High barrier polyhydroxyalcanoate food packaging film by means of nanostructured electrospun interlayers of zein. Food Hydrocolloids, 2013, 32 (1), 106-114.

[2]Aceituno-Medina, M.; Lopez-Rubio, A.; Mendoza, S.; etc., Development of novel ultrathin structures based in amaranth (Amaranthus hypochondriacus) protein isolate through electrospinning. Food Hydrocolloids, 2013, 31 (2), 289-298.

Lu, S等通过同轴电纺方法,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为壳层、以硅橡胶(SR)为核层制备了核-壳结构的硅橡胶微纤维,实验中对SR在三个时间段下的可纺性进行了观察,并相应地对电纺过程的条件进行了优化。研究人员发现,在纤维形态和SR/PVP速率比之间存在着正相关,该速率比增大时,所得到复合纤维直径变大,直径分布更宽。在PVP/SR速率比为1.7/2.53.5/2.5mL/h)时,所得到的纤维结构在水中浸渍8h仍能够保持不变。将该复合物在水中浸渍后可以得到纯粹的SR微纤维,其具有的这种性质可使其被用于具有化学保护性的可伸缩的选择性透过膜,以及塑料增韧应用。

Wang, N等通过在传统的滤纸上进行聚氯乙烯/聚氨酯(PVC/PU)电纺丝沉积,可简便制得对空气中微粒具有良好过滤性能的双组分过滤介质。可以通过对电纺溶液组分的调整来对得到的纤维膜弯曲结构和组成进行良好的控制。加入PU之后,原始的PVC纤维膜被赋予较强的抗拉强度(9.9 MPa)。研究人员对这种混合纤维结构与其形成的膜的机械性质之间的关系进行了讨论,并提出了其对抗外界压力的三步机理。用毛细管流气孔测量法进行定量孔径和孔隙度分布检测,其结果证明了PVC/PU纤维膜的确具有弯曲结构。此外,这种膜具有高耐磨性、良好的空气通过性(154.1 mm/s),对300-500 nmNaCl气溶胶颗粒具有极好的过滤效率(99.5%)、低压损性质(144 Pa),说明这种膜在空气过滤方面有很大的应用前景。