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四川大学满毅Acta Biomater.:具有拓扑结构的电纺丝

公司新闻    2021-09-22 16:22

DOI: 10.1016/j.actbio.2021.05.042

生物材料的命运是由生物相容性和生物调节特性决定的,据报道,这些特性与形貌结构密切相关。为了研究纤维膜的形貌对引导性骨再生性能的影响,研究者通过静电纺丝成功制备了随机、定向和网格状形貌的聚(乳酸-乙醇酸共聚物)/鱼胶原蛋白/纳米羟基磷灰石(PFCH)纤维膜。通过体外和体内实验系统地研究了三种形貌PFCH膜的物理、化学和生物学特性。C57BL6小鼠皮下植入显示所有三种拓扑膜均可接受轻度异物反应。有趣的是,网格状PFCH膜具有优异的募集巨噬细胞/单核细胞和诱导血管生成的能力。作者通过大鼠和小鼠颅骨缺损模型进一步研究了三种形貌PFCH膜的成骨作用,结果表明网格状PFCH膜通过上调HIF-1α信号通路,在促进血管生成方面表现出良好的性能,从而有利于骨再生。本研究表明,纤维膜的拓扑结构作为生物材料的特征之一,可以调节其生物功能,而纤维结构的网格状形貌可作为骨再生生物材料的有利表面设计。

 

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图1.三种不同拓扑结构的PFCH膜的形态、力学性能和润湿性。a)随机、定向、网格状膜的SEM图像;b)三种膜的纤维直径和c)纤维角度分布;d)三种膜的应力-应变曲线;e)三种膜的水接触角。

 

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图2.BMSCs在不同表面拓扑膜上的行为。a)第1、4和7天在三种不同形貌膜上培养的BMSCs的CCK-8分析;b)第4天F-肌动蛋白和细胞核的荧光染色,膜反射绿色荧光。

 

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图3.由不同拓扑膜引发的纤维化。a)第3天和第7天皮下植入样品的H&E染色切片;b)通过在膜周围测量纤维化胶囊的5个不同部位的厚度来计算胶囊厚度的平均值,10×;c)Col1a1和Col1a2标准化表达水平的热图,纤维化标志物;RT-qPCR。Col1a1(d)和Col1a2(e)在第3天的相对表达。

 

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图4.免疫细胞募集。a)第1、3、5、7天皮下植入样品的H&E染色图像,红色箭头表示血管;b)H&E染色切片中巨噬细胞和单核细胞的细胞计数,在CaseViewer(3DHITECH,匈牙利)中随机计算纤维膜周围五个不同区域的细胞数,72×;c)F4/80(标志巨噬细胞)的IHC染色;d)F4/80阳性细胞计数;e)F4/80和Cd11b的标准化表达谱。

 

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图5.血管重建。a)CD31和b)α-SMA在14和28天的IHC染色;c)α-SMA染色图中平均血管面积的半定量分析;d)Vegfa、Nr4a1、Ccl5和Cxcl10的标准化表达谱,这是血管生成相关基因。

 

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图6.网格状PFCH膜促进骨再生。a)大鼠颅骨的3D重建,红色虚线圆圈表示缺损区域;b)不同组的BV/TV%;c)未脱钙骨切片的亚甲蓝/碱性品红染色,新生骨呈深红色;d)分别在第2周和第6周对骨厚度、间隙宽度和再生骨面积进行半定量计算;e)脱钙后大鼠颅骨的Masson三色染色,NB:新骨,M:膜,C:胶原纤维。

 

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图7.网格状PFCH膜通过HIF-1α信号通路促进骨再生和血管生成。a)小鼠颅骨的3D重建。红色虚线圆圈表示缺损区域。b)不同组的BV/TV%;c)网格状组中富集的前20条通路,HIF-1α信号通路以红色框突出显示;d)HIF-1α信号通路中基因的标准化表达谱;e)血管生成标志基因的标准化表达谱;f)巨噬细胞和单核细胞标志基因的标准化表达谱。