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生物活性静电纺纤维的制造策略及表征研究进展

期刊综述    2021-09-18 15:41

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研究背景

➣制造具有高表面积的多孔支架已成为组织工程领域的主要策略。在许多制造方法中,静电纺丝由于其能够制造天然或合成来源的高度多孔的纤维支架而成为基础技术之一。 ➣除了对机械稳定性和生物相容性的基本要求外,还期望支架具有驱动细胞功能的功能线索,例如粘附、扩散、增殖、迁移和分化。有许多独特的方法可以引入生物活性分子来控制细胞功能。 ➣维尔茨堡大学Jürgen Groll总结了目前在静电纺纤维中引入功能化合物的常用方法。此后,分析了传统表征方法的优点和局限性。最后,进一步讨论了新兴的表征技术(例如高分辨率/相关显微镜方法)的潜力和适用性。

 

生物活性静电纺纤维的制备

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图1.制备生物活性电纺纤维的两种主要途径的图示: 纺前功能化和纺后功能化。

➣固有惰性聚合物的生物活化:与天然聚合物相比,合成材料具有许多优势,包括它们是更可靠的原材料来源重现性好,免疫原性风险低,成本效益高。可以对它们进行定制以控制其结构性质及其降解特性。 ➣为了进一步改善细胞-基质相互作用或机械和物理特性,合成聚合物通常被功能化。 ➣两种或更多种材料以及功能性添加剂的组合通常用于辅助静电纺丝中的聚合物加工(图1)。

 

纺丝后功能化

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图2. 静电纺纤维的等离子体处理及其生物应用方面的研究进展。

➣等离子体处理是一种常用技术,将碱性官能团(例如羟基,羧基或胺)引入聚合物纤维表面。 等离子体是一种电离气体,通常由微波或射频引发。 ➣关于各种现有类型的等离子体,低压等离子体可用于处理热敏材料,例如聚合物。对于这种等离子体类型,气体分子和离子需要环境温度,因为具有数个电子伏特能量的电子会破坏共价键并引起进一步的电离。 ➣与功能性添加剂共纺:在共纺过程中,聚合物基通常提供机械稳定性,同时加入少量的材料来引入纤维的功能。当然,静电纺丝后纤维表面必然存在功能性添加剂。

 

纤维的表征和表面功能评估

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图3. 与生物反应有关的生物活性电纺纤维的表面敏感性表征和定量图示。

➣ 电纺纳米纤维已广泛用于许多生物医学应用中,例如用于组织工程的支架,酶固定,药物和基因递送以及伤口敷料。 ➣形态、结构、孔径和分布明显影响生物学反应。 ➣电纺支架已被生物活性配体(例如细胞粘附肽和蛋白质)功能化,以改善细胞与材料之间的相互作用。 ➣对于材料的功能,至少有两个应确定以下参数:(i)生物材料表面上功能提示的存在(定性)和(ii)数量(定量)(图3)。以下各节分为形态/物理和定性/定量/化学表征方法,重点是表面分析。

 

形态和物理表征方法

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图4.(a)光学显微镜的示意图和荧光显微镜,(b)使用电子束生成 纳米纤维高分辨率图像的电子显微镜示意图。(c)PLGA纳米纤维的光学和荧光显微镜。(d)PCL和PCL-1%nSi复合纳米纤维的SEM图像。(e)PCL-1%nSi纳米纤维的TEM图像。(f)纳米纤维中C,O和Si的EDX分布。

➣ 纳米纤维的物理和形态特征极大地影响了它们在体外和体内条件下的性能。包括纤维直径和方向的形态特征决定了粘着力,细胞形态和ECM沉积。 ➣光显微镜是在干燥或液体条件下分析纳米纤维结构的最简单、最快和最便宜的方法,无需任何预先准备。 ➣ 电子显微镜是表征各种材料的表面结构、表面修饰和细胞粘附。与光学显微镜相比,电子束撞击样品并产生信号,产生高分辨率图像(图4b)。 ➣扫描电镜可查看纳米纤维的结构、直径、取向、纤维间孔隙和形貌。TEM除了更大的放大倍率和更高的分辨率外,还提供了内部成分的详细信息。

 

形态和物理表征方法

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图5.(a)AFM示意图,用于评估纳米纤维样品的表面形貌。(b)多巴胺辅助BMP-2固定化PLLA纳米纤维相对于PLLA纳米纤维具有更高的表面粗糙度。(c,d)对光学显微镜、SEM、TEM和AFM的成像时间、样品大小和成像长度尺度进行了比较

➣AFM是另一种微观技术,该方法可用于测定纤维的结构、纤维直径、粗糙度、纳米纤维的截面形貌和液体润湿性以及测量单纤维的机械特性(图5a)。 ➣该方法的主要优势在于可以应用在水环境中,这对于研究室温或生理温度下的活生物非常有帮助。 ➣AFM图像可以在没有表面处理或涂层的情况下获得,这可能会损坏或改变材料的表面。 ➣AFM的一个主要缺点是在扫描面积、分辨率和时间之间进行权衡,在微米尺度上获得高质量的图像可能需要很长时间。

 

纤维支架的表面/体积分析

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 图7.纳米纤维的拉曼光谱以及XPS测试。

➣在常用技术中,EDX,ATR-FTIR和拉曼光谱法提供了从表面到深度的分析,而放射性标记仅允许对材料进行大量分析。 ➣XPS和TOF-SIMS脱颖而出,因为它们提供了有关材料近表面区域的信息(图6)。 ➣拉曼光谱已被广泛应用于纳米纤维的研究,如纳米纤维的混搭、纳米纤维的载纳米粒子和纳米纤维的表面改性等。