三维纳米纤维组织工程支架的研究进展

三维纳米纤维组织工程支架的研究进展刘瑞来;陈良壁;唐春怡【摘要】组织工程支架的关键作用是引导细胞粘附、扩散、分裂,促进组织修复的一个过程.三维纳米纤维支架能够提供三维空间结构,调节细胞行为,具有传递生物分子的潜能.因此在组织工程领域具有广泛地应用前景.因此如何构建三维纳米纤维支架成为人们关注的焦点.本文综述现阶段三维纳米纤维支架的制备方法,包括静电纺丝法、热致相分离法、自组装法、生物技术法等,并指出制备方法的优缺点.具有复杂外形及其相连通的孔的支架是今后支架研究的方向.只有达到临床所需要求,组织工程支架才有望应用于组织和器官损伤的病人.【期刊名称】《德州学院学报》【年(卷),期】2014(030)004【总页数】6页(P57-62)【关键词】米纤维;三维;组织工程支架【作者】刘瑞来;陈良壁;唐春怡【作者单位】福建省高校绿色化工技术重点实验室,武夷学院生态与资源工程学院,福建武夷山354300;福建省高分子材料与工程重点实验室,福建师范大学材料科学与工程学院,福州 350007;福建省高校绿色化工技术重点实验室,武夷学院生态与资源工程学院,福建武夷山354300;广西科技大学生物与化学工程学院,广西柳州545006【正文语种】中文【中图分类】TB383.121世纪的生物医学工程是信息产业之外经济增长的另一个热点.组织工程是细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上的另一个里程碑，标志着医学步入制造组织和器官的新时代.1987年美国科学家提出“组织工程”，他们认为组织工程是应用生命科学和工程科学的原理和方法，理解和认识人类病理组织的结构—功能关系，以此培养生物替代品来补救或替换损伤和老化的器官和组织［1］.如何设计支架使其能够引导组织的再生是组织工程的一个难点.细胞外基质（ECM）具有连接、支持、保水、抗压及保护等作用，且影响细胞的黏附、扩散、分化和迁移等，在组织再生中起到了重要的作用［2］.目前一种比较有前途的方法就是在可降解支架上移植细胞，支架的首要目标是在一个三维空间实现细胞外基质的功能，关键问题是支架中有能满足要求的生物信号，这样细胞反应的每一个方面：细胞黏附、扩散、分裂和显型都能够得到控制直至一个新的组织的形成［3］.组织工程支架材料必需具备以下三方面的特征：1）细胞渗透对细胞的生长起到了关键的作用，而营养和氧气必须扩散到细胞中且代谢产物必须从细胞中去除.因此支架材料必须是多孔结构，这样才有利于细胞的渗透和养分的传输；2）支架材料必须具有一定的匹配细胞生长的机械强度，例如作为软组织工程支架材料必须具备一定水平的相匹配性.如果支架作为组织工程直接使用的话，像软骨和骨组织生长的早期阶段，支架需要承担一定的应力.然而金属合金和陶瓷材料只能作为移植材料而不能作为再生构造材料，因为它们缺乏生物降解性和可加工性；3）为了避免免疫反应和完全的组织再生，支架材料应具备生物相容性和可降解性.早期的支架材料都是非生物降解型的，例如：碳素纤维、金属材料、生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷等.这些材料的特点是机械强度高、不易降解，存在二次手术问题，因此人们开始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料，这类材料有聚乳酸（PLLA）、聚乙醇酸（PGA）及其聚乳酸—乙醇酸无规共聚物（PLGA）、聚己内酯（PCL）等.为了满足细胞的粘附、迁移、分化和增殖，以及营养物质和新陈代谢的传输等要求，组织工程支架除需具有生物相容性、机械强度、人体可吸收等特征外，它必须具有多孔结构及较高的孔隙率.孔结构应具有互相连通的大孔（尺寸100～500μm），小孔（几百纳米至几十微米），以及介孔（2～50nm）多级孔径结构.只有如此，几种不同功能、不同大小的细胞才能在支架内共同生长，并最终生成理想的组织.因而，多孔支架的构建以及多级孔径的合理设计成为许多组织工程支架材料专家的关注点.而三维纳米纤维支架材料具有多级孔径结构，可以满足细胞的粘附、迁移、分化和增殖，以及营养物质和新陈代谢的传输等要求.可作为理想的组织工程支架材料.三维纳米纤维支架材料可以满足以上几个方面的需求.目前三维纳米纤维的制备主要通过静电纺丝、热致相分离、分子自组装和生物技术等方法.本文详细总结以上四种方法的制备过程，为制备三维纳米纤维支架提供良好的参考价值.并提出未来组织工程支架材料发展的方向.静电纺丝是一项简单易行、“自上而下”纺制纳米/微米尺寸纤维的技术.基本原理是：聚合物纺丝液在电场力及表面张力作用下，它在注射器的针头处会产生一个圆锥形的液滴（称之为Taylor锥），当电场力大于Taylor锥的表面张力时，带电的纺丝液就会从Taylor锥中被拉伸出来.在丝的形成过程中，带电的喷射流由于不稳定被拉伸，变得越来越细，与此同时大部分的溶剂挥发，固化后的纤维无规地排列在接地的收集板上，形成纤维膜，即无纺布［4－6］.静电纺丝制备的纳米纤维的超细直径（30～500nm）、大比表面积、电纺纳米纤维膜的连通多孔结构及高孔隙率的特征与细胞赖以生存的骨架细胞外基质的结构极为相似，使得它迅速发展成为一种前景非常广阔的组织工程支架材料.目前利用静电纺丝制备三维纳米纤维支架材料的聚合物主要有两种：合成聚合物和天然聚合物.合成聚合物，如聚乳酸（PLLA）［7，8］、聚乙醇酸（PGA）［9］、聚己内酯（PCL）［10，11］等.这些聚合物非常容易合成、加工和改性.例如本课题组以二氯甲烷/N，N－二甲基甲酰胺为溶剂，通过静电纺丝法制备了孔径为40～150nm的PLLA超细纤维［12］.以丙酮/二氯甲烷为溶剂通过静电纺丝制备了直径为0.89～1.19μm、孔径大小为61～108nm的PLLA/CA复合多孔超细纤维，如图1所示［13］.纳米孔主要是溶剂快速挥发导致热致相分离而形成的，且形成的孔为相互贯穿的三维孔结构.然而这些聚合物缺乏生物活性，且在加工过程中很难保证具有非常好的生物相容性，因此其应用受到了一定程度的限制.天然高分子材料，如明胶［14］、透明质酸［15］、壳聚糖［16］、胶原蛋白［17］等，除了具有生物相容性还具有很好的生物活性.例如Rafailovich等［15］人以3，3-二硫基丙肼改性的透明质酸（HA－DTPH）为聚合物，通过电纺的方法成功制备了三维纳米支架，如图2a和b所示.并模拟天然细胞外基质，研究了NIH 3T3纤维细胞在HA－DTPH三维纳米支架上的生长，荧光显微镜和激光共聚焦显微镜观察表明：3T3纤维细胞能很好的在支架上粘附、迁移和生长，如图2c和d所示.然而这些天然高分子在使用过程中，一定要防止蛋白质变性，而失去生物活性.合成聚合物和天然聚合物各具有优缺点，因此有些研究者将合成聚合物和天然聚合物相共混制备复合三维纤维支架［18，19］.如 Yang等［19］人将 PCL 与壳聚糖相共混制备生物活性的纳米纤维.因为壳聚糖机械性能比较差，而PCL细胞的粘附性能比较差，因此在PCL中添加9.1%的壳聚糖，增加了细胞的粘附性的同时，杨氏模量达到了最大值.Gautam等［20］人以二氯甲烷/甲醇为溶剂，通过静电纺丝方法制备PCL/明胶复合纤维支架，以L929鼠成纤维细胞检验支架的毒性及其相容性，结果表明PCL/明胶复合纤维支架可作为很好的组织工程支架材料使用.静电纺丝方法制备的支架材料有如下优点：可通过控制各种参数，如聚合物浓度、溶剂组成及比例、添加剂、纺丝电压、接收距离、供料速率等条件控制纤维的直径大小及其形成的孔径大小；通过聚合物的共混提高纤维的纺丝性及其细胞相容性、机械强度等；控制各种参数，可构建多级的孔径结构的支架材料.电纺也存在如下的缺点：纺丝效率比较低，目前电纺大部分处于实验室阶段，离工业化生产还有一段比较长的距离；电纺纤维普遍强度比较低，不利于作为高强度的支架材料；只有部分高聚物可通过电纺的方法制备纤维.热致相分离法（TIPS）始于20世纪70年代，其制备方法为：将热塑性、结晶性的高分子聚合物溶解在某些高沸点的小分子化合物（把它们称之为“稀释剂或溶剂”）中，在高温下（一般要高于聚合物的熔点，低于稀释剂的沸点）形成均相溶液，降低温度时发生固－液或液－液相分离，聚合物富集相形成纤维，待溶剂萃取后就形成了纳米纤维.它的原理是“高温溶解，低温相分离”因此称之为“热致相分离（TIPS）”法.如 Ma等［21］人利用 TIPS法制备了直径为160～170nm纳米纤维结构的三维支架，如图3所示.并发现凝胶是制备这种独特纳米纤维结构的关键步骤.凝胶是由聚合物在相分离过程中产生的微晶作为交联剂而形成的.Molladavoodi等［22］人利用热致相分离方法制备了PLLA纤维和PLLA多孔支架，并研究了其生物相容性.为了制备模拟细胞外基质的纳米纤维，TIPS法常与其它方法相结合制备结构和尺寸可控的三维纳米支架.例如将聚合物溶液流延在石蜡、糖或盐等致孔剂上，待这些致孔剂去除后，纳米纤维上就形成不同尺寸和形貌的孔.在整个支架体系中，大孔有利于细胞的迁移，提高了营养和水分的传输，导致血管的向内生长和组织的形成.在组织工程材料的研究中，孔大小的控制是十分关键的.因此孔大小的控制成为组织工程材料再生的另一个研究方向.另一种方法是将CT扫描和反向固体无模成形技术（Reverse solid freeform fabrication）与TIPS相结合，制备形貌可控的三维纳米纤维支架，如图4所示［23］.此外还有一种利用TIPS法非常简单的制备纳米纤维支架.例如Liu等［24］人利用星状聚乳酸（SS－PLLA）制备中空纳米纤维球，如图5所示.首先将SS－PLLA溶解在丙三醇中，形成球型液滴乳液，然后通过相分离、溶剂萃取、冷冻干燥，最后形成中空纳米纤维球.此方法最大的优点是无需模板，即可形成中空球.此过程无需表面活性剂，因此避免表面活性剂去除的困难.这种中空纳米微球可作为植入细胞的载体，在外科手术领域具有广泛地应用前景.热致相分离法制备的三维纳米纤维支架的主要优点为：制备方法简单、成本低、可大量的工业化生产.缺点：纤维的直径比较难于控制，无法构建多级孔径结构三维支架材料.自组装是分子与分子在一定条件下，通过非共价键分子间相互作用力自发地形成具有稳定有序结构的多分子聚集体的过程［25］.张［26］等人利用肽在盐诱导下自组装形成稳定的膜结构，开辟了一个肽自组装技术的新领域.肖［27］等自组装合成含有IKVAV（异亮氨酸－赖氨酸－缬氨酸－丙氨酸－缬氨酸）多肽序列的纳米纤维材料，电镜显示寡肽自组装为凝胶，形成编织状纳米纤维网络，纤维直径3～5nm，长度100～1500nm，多个细小的单个纳米纤维可合并成为25～65nm的多股纤维，且随着寡肽浓度的增加，形成的纳米纤维排列越紧密.曾［28］等人利用自组装制备了平均直径约200nm，长度可达数微米的仿生壳聚糖基纳米纤维.自组装法最大的缺点是只有少部分的高分子材料可以通过此方法制备.因此其应用范围非常小.从植物中获取的纤维素纤维尺寸为微米级，无法满足组织工程支架材料的应用.因此采用生物技术的方法制备直径为几纳米到几十纳米范围的细菌纤维素.如Svensson等［29］人将纤维素通过木醋杆菌菌株生物发酵合成细菌纤维素，如图6所示.生物合成的细菌纤维素具有三维的网络结构，可以通过改变发酵方式控制纤维素原料的原位成型，得到不同形状的纤维素材料，以满足不同的需要.此方法最大的缺点是只有少部分的天然高分子材料可以通过此方法制备，而且制备的支架的孔径难以控制.纳米纤维材料所展示出的优异特性，如生物功能修饰的多样性和通过纳米纤维的构建来诱导形成所需的细胞行为，使其在组织工程领域具有十分诱人的应用前景.三维纳米纤维支架材料作为细胞外基质的替代物，三维支架的形貌及其支架上孔的大小、孔的互通性等参数将会影响细胞在支架材料上的粘附、迁移、分化和增殖行为，及对创伤组织的修复能力.尽管目前所制备的三维纳米纤维支架材料已取得了很大的发展，但目前无一材料能满足组织工程支架所有要求.因此根据支架的具体要求，将多种方法结合起来，才能制备出所需支架.具有复杂外形及其相连通的孔的三维支架材料是今后纸质工程支架材料技术开发的研究方向.只有达到临床所需要求，组织工程支架才有望应用于组织和器官损伤的病人.相信随着这些问题的逐步解决，三维纳米纤维支架材料必将成为组织工程修复最好的选择.【相关文献】［1］刘敬肖，杨大智，王伟强，等.管腔内支架用金属材料的生物相容性及其表面改性［J］.功能材料，2000，31（6）：584－586.［2］李晓静，王新木，董研，等.基于壳聚糖的纳米材料在骨组织工程与再生医学中的研究进展［J］.中国生物医学工程学报，2013，31（5）：260－265.［3］Holzwarth 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