静电纺纳米纤维用于组织再生(莫秀梅)概论.pdf

静电纺纳米纤维用于组织再生 莫秀梅,东华大学化学化工与生物学院 1. 背景和前言 1.1. 理想的组织工程支架需要有天然细胞外基质的纳米丝结构 1.在临床上每天都可以见到许多组织缺损的问题，组织工程学和转化医学的发展为组织缺损 的修复和再生提供了有效途径，然而组织再生的关键是要为缺损组织提供一个暂时的替代支架， 暂时替代原有组织，诱导细胞的长入和新组织的形成，待组织形成后支架在体内降解。已有的组 织工程支架制备方法适用于一些大的组织象骨和软骨支架的制备，但是对一些精细的和具有功能 性的组织，象血管和神经等还没有制备出理想的组织再生支架。仿生功能化静电纺纳米纤维为这 些精细组织工程支架的制备提供了新思路和新方法，使组织工程支架发展进入了一个新的阶段， 即纳米仿生组织细胞间质(细胞外基质)的阶段。实际上人体内细胞外基质本质上是由蛋白和糖氨 聚糖(GAGs)复合而成的纳米纤维凝胶网络，纤维直径通常为 50-300nm [PiezKA, 1984]。人体组 织就是细胞镶嵌在这些纳米纤维凝胶网络中，见图 1。细胞通过细胞膜上的受体系统与细胞外基 质上的配体特异性结合并对外界信号做出反应，影响细胞行为。组织工程支架材料就是要起到仿 生组织细胞间质的作用。另外, 若支架材料的骨架尺寸过大时, 在组织的形成过程中, 因不能适 时降解常有阻断组织有序调整的现象,有时只能形成疤痕, 达不到再生有序组织的目的。这又对支 架材料提出了新的要求，即尽可能的与组织的细胞间质相似。有实验证明当支架材料的骨架尺寸 大小从毫米级降到微米级纤维时, 那种有碍组织有序调整的现象明显消失[KimB-S,1998]。最近 已发现纳米纤维结构已明显改善了组织工程支架材料在骨、软骨、心血管、神经和膀胱再生上的 应用，减少了疤痕的形成[PatchK,2003]。 研究表明，纳米材料对细胞行为有显著影响。Pattison 等[Pattison MA,2005] 采用纳米级 PLGA 支架接种平滑肌细胞体外构建组织工程膀胱，发现与传统微米级支架相比，细胞在小于 自身尺度的纳米支架上具有更好的粘附和生长能力，且能分泌更多的胶原和弹性蛋白。Elias 等 [EliasKE,2002]的研究也证实了成骨细胞的增殖能力随着碳纳米纤维的直径减小而增强，且碱性 磷酸酶和钙质的分泌也随纤维直径减小而增多。2005 年，Stevens 等[StevensMM,2005]在 Science 上撰文比较了不同的支架结构对细胞行为的影响，认为细胞以平铺的方式黏附于微米级 支架上，且伸展方式与在平整表面上类似。而纳米级支架 （如纳米纤维）更大的表面积有利于吸 附更多的蛋白质，能够为细胞膜上的受体提供更多的黏附位点，吸附的蛋白质也可通过改变构象 暴露更多隐蔽的黏附位点，从而有利于细胞黏附和增长 （图 2）。因而以纳米纤维制备的细胞支 架能仿生人体内细胞外基质的物理结构，促进组织的再生。 1.2.静电纺纳米纤维能仿生组织细胞外基质的结构和功能 静电纺纳米纤维仿生细胞外基质用于组织工程在近些年受到特别关注，利用静电纺能够将几 乎所有的组织工程材料纺成纳米纤维，包括合成高分子材料，如 PLA、PGA、PCL 及其共聚物 和天然高分子材料，如胶原、明胶、纤维蛋白、蚕丝、蜘蛛丝等天然蛋白质和壳聚糖、透明质酸、 纤维素等多糖类材料[YoshimotoH,2003][MinByung-Mo,2004]，对同一种材料又可以控制得到纤 维无规排列，或不同程度平行排列的表面结构，以及层与层之间无规，或平行，或十字交错叠加 等三维结构。纳米纤维的取向排列可以引导细胞沿纤维取向增殖[Xu CY,2004 ]，从而可以设计 用于具有取向结构的组织再生。纳米纤维除了能从结构上仿生细胞外基质，同轴静电纺也使得从 功能上仿生组织细胞外基质成为可能。利用同轴静电纺可以将活性因子和功能性因子纺入纳米纤 维中使之缓慢释放而得到具有特殊功能的组织工程支架。例如，将肝素纺入纳米纤维血管支架中 得到抗凝血血管支架[SuYan,2011]；将神经生长因子纺入纳米纤维神经导管中得到具有促进神 经再生功能的神经导管[Wang Chunyang,2012]；将骨形成蛋白纺入纳米纤维骨再生支架中诱导间 充质干细胞向成骨细胞转化[SuYan,2012]。因此开展静电纺纳米纤维仿生功能化生物材料的研 究以用于组织再生是非常必要的，并且对组织工程和转化医学的发展具有科学意义，对人类的健 康具有社会意义。 2. 研究内容 2.1. 蛋白-多糖复合纳米纤维的制备及研究