400-823-0080
info@biofabrication.cn     
当前位置: 主页 > 动态资讯 > 学术动态 > 北京化工大学薛佳佳:电纺纳米纤维如何“操纵”软组织再生

北京化工大学薛佳佳:电纺纳米纤维如何“操纵”软组织再生

学术动态    2022-06-06 16:28

DOI: 10.1039/d2tb00609j

 

软组织损伤是一种常见的临床问题,影响着世界各地大量患者的生活。开发功能性支架以操纵和促进软组织的修复与再生具有重要意义。由于其独特的组成和结构特性,电纺纳米纤维在软组织再生方面引起了广泛关注。电纺纳米纤维可以很容易地构建并进行功能性修饰,以调节其组成、形态、结构、三维构造和生物功能,以及特定的光/电/磁特性。通过整合多种类型的引导线索,如形貌和生化线索以及外部刺激,电纺纳米纤维支架可以操纵细胞行为,从而促进组织再生。在这篇综述中,作者首先描述了具有特定形态及形貌的电纺纳米纤维的构建及其调节细胞迁移、细胞形态和干细胞分化的能力。然后,从组织解剖结构和生理再生过程的角度讨论了电纺纳米纤维支架对促进不同类型软组织(包括神经、皮肤、心脏、血管和角膜)再生的作用。通过介绍和讨论静电纺丝纳米纤维在操纵软组织再生方面的最新进展,以期为临床实践中组织损伤的修复提供可能的解决方案和参考。

 

图1.(A)不同接收器及其制备的纤维支架的SEM照片。(B)通过3D明胶接收器制备的3D PCL纳米纤维支架(右下)及其表面SEM图像(左上,比例尺=5μm)。(C)AuNPs负载PVA纤维的SEM图像。(D)具有多通道的纤维的SEM图像。

 

图2.电纺纳米纤维对细胞行为的调节。(A)集体细胞迁移的机制。(B)荧光纤维照片显示NIH-3T3成纤维细胞在对照TCP和定向支架上的线性迁移,其中细胞迁移距离明显大于TCP组,证明了单轴排列的纤维对细胞迁移的促进作用。(C)成纤维细胞在径向排列的纳米纤维和随机排列的纳米纤维上培养4天,成纤维细胞沿纳米纤维的径向从外围向中心迁移,第4天到达支架中心,迁移率高于随机排列的纳米纤维上的细胞。成纤维细胞用荧光素二乙酸盐染色。(D)成像显示随机取向纳米纤维上的圆形角蛋白形成细胞,而单轴排列纳米纤维上的角蛋白形成细胞显示拉长的形态并沿纳米纤维排列。细胞核用Hoechst 33342(蓝色)染色,肌动蛋白丝用罗丹明标记鬼笔环肽(红色)染色。(E)随机纳米纤维上的SCs杂乱无章,没有形成规则的细胞骨架,排列整齐的纳米纤维上的SCs方向一致,显示出排列良好的肌动蛋白网络。SCs细胞核用DAPI(蓝色)染色,肌动蛋白细胞骨架用罗丹明标记鬼笔环肽(红色)染色。(F)在随机取向的电纺纳米纤维、定向电纺纳米纤维、用GO功能化的随机电纺纤维和用GO功能化的定向电纺纤维上培养神经球。结果表明,四种不同的纤维形态和表面状态导致DPSC神经球分别向成骨细胞、神经胶质细胞、成纤维细胞和神经元分化。用骨粘附蛋白(红色)、巢蛋白(红色)、CNPase(绿色)、人成纤维细胞表面蛋白(FU)(红色)、S100(绿色)和DAPI(蓝色)对神经球进行免疫荧光染色。

 

图3.(A)极化巨噬细胞对不同基质上SC迁移的影响示意图(左)。外植导管内的巨噬细胞极化,对CD68(M0,巨噬细胞,绿色)、iNOS(M1,促炎,红色)和CD206(M2,抗炎,红色)进行免疫荧光染色(右)。星号代表定向微纤维。(B)示意图(左)和扫描电子显微镜(SEM)成像(中)显示单向密度梯度下纳米粒子在单轴排列纳米纤维上的分布。荧光显微照片(右上)显示从梯度支架上的DRG体延伸的神经突。白色箭头线表示增加纳米粒子密度的方向。DRG体的神经突用Tuj1(绿色)染色,细胞核用DAPI(蓝色)染色。荧光显微照片(右下)显示SCs在梯度支架上从两端向中心迁移,纳米颗粒的密度从两侧向中心增加。肌动蛋白细胞骨架和纽蛋白分别用Alexa Fluor 555鬼笔环肽(红色)和Alexa Fluor 488抗纽蛋白(绿色)染色,黄色对应于这两种颜色的叠加。(C)分别植入自体移植、中空导管和电活性导管组(E-active)以修复10mm大鼠坐骨神经损伤。

 

图4.用于CNS损伤修复的电纺纳米纤维支架。(A)共价连接到纳米纤维支架表面的半乳糖分子示意图(左)。荧光显微照片(右)显示在2D PCL、3D PCL、PCL-肝素(Hep)+PLL和PCL-Hep+PLL-LA上生长的星形胶质细胞的ANHAK(红色)/GFAP(绿色)和Gal-1(红色)/GFAP(绿色)染色。(B)示意图显示NT-3(MNS:多通道纳米纤维支架)负载明胶涂层多通道纳米纤维支架(MNS-G)的制备(左)及其植入8周后损伤恢复的H&E和Masson染色图像。“W”表示纳米纤维支架的侧壁片段(右)。(C)示意图显示定向微纤维蛋白水凝胶纤维(AFG)作为MSCs的载体以维持MSC定向粘附(左),以及MSC和MSC/AFG组位于SCI部位的典型CLSM图像:蓝色标记细胞核,绿色是GFP以显示植入的MSCs,红色是βIII-微管蛋白。

 

图5.用于皮肤组织修复的电纺纳米纤维支架。(A)示意图显示由掺杂抗菌金纳米粒子的PCL/明胶电纺纳米纤维制成的编织敷料(左)。纱布组、PCL/明胶组、APA修饰金纳米粒子(Au_APA)组分别用于治疗大肠杆菌、耐多药大肠杆菌、铜绿假单胞菌和耐多药铜绿假单胞菌感染的创面,7天和14天细菌计数证明了复合纤维减少局部细菌感染的能力和有效性(右)。(B)含NO的铜MOF(NO@HKUST-1)纳米粒子(NO@HPG)负载PCL-明胶芯鞘纤维的示意图结构(左)。NO@HKUST-1和NO@HPG在PBS中累积释放NO(中)。用HPG和NO@HPG培养6小时后HUVECs的管形成(右上)。免疫荧光染色(右下)显示7天时HPG和NO@HPG上的CD31表达。血管用CD31(绿色)染色,细胞核用DAPI(蓝色)染色。(C)在SDF-1α梯度电纺纳米纤维支架上培养7天的MSCs的示意图和活/死染色,该支架由具有9个针电极(GF-9)的接收器制备。MSC到达中心的最大迁移距离,表明SDF-1α/GF-9诱导促进MSC迁移(左下)。使用经典MSC表面标记物CD90进行免疫组织化学染色,第5天和第14天对受损皮肤进行染色,棕色和蓝色细胞核呈阳性表达(右)。与其他组相比,具有SDF-1α梯度且封装DS的GF-9组(SDF-1α/DS/GF-9)的CD90阳性染色显著增加,证明了SDF-1α的梯度释放以及内源性干细胞向伤口募集的炎症反应的减少。

 

图6.静电纺丝纳米纤维在心脏组织工程中的应用。(A)微溶胶静电纺丝技术制备具有芯-鞘结构的PLLA-HA/rhACE2支架的示意图(左上)。在小鼠心肌梗塞模型中植入静电纺丝支架的示意图(左下)。支架植入28天后,对小鼠心脏切片进行H&E染色和Masson三色染色,含rhACE2的组与其他组相比,梗死瘢痕扩张有显著差异,左心室结构较好(右)。(B)天然心脏组织示意图,心肌细胞均匀排列在每层中间,并在各层之间逐渐过渡(左)。多层NFYs-NETs 3D支架示意图(中)。荧光图像显示,与2D支架相比,NFYs-NET支架表面的心肌细胞排列整齐且分布均匀,证明了3D结构对细胞粘附迁移的引导作用。心肌细胞用F-肌动蛋白(绿色)和DPAI(蓝色)(右)染色。(C)包含可控电子设备的电纺聚己内酯凝胶纳米纤维贴片的示意图(左)。电子设备上的九个电极收集的心肌细胞电生理数据显示出相似的电信号,表明心肌细胞同步跳动(右)。

 

图7.电纺纳米纤维支架在血管组织工程中的应用。(A)使用兔动静脉分流术(AV-分流术)将三个移植物的管腔暴露于动脉1小时的立体显微镜图像,显示双层血管移植物中没有凝血生成(上)。管腔和横截面的SEM图像显示,与其他两组相比,双层移植物的管腔和内表面上的血小板和血浆蛋白最少,证明了这种双层血管移植物的抗凝血能力(下)。(B)具有双层管状结构的电纺纳米纤维血管移植物的SEM图像(左上)。将移植物植入血管部位的照片(右上)。在3、6和12个月时平滑肌晚期分化标志物(SM-MHC)(红色)和DAPI(蓝色)的免疫组织化学染色,在6个月时红色和蓝色荧光呈环状分布,表明内层的内平滑肌细胞分化(下)。(放大40倍)(C)三层管状移植物的结构示意图(左)。在皮下移植2、6和10周后对移植物进行形态学检查,管状结构保持良好(中)。通过H&E染色和Masson三色染色对皮下移植2、6和10周后移植物横截面进行组织学分析。H&E染色显示,移植物逐渐被再生组织包裹,同时保持一定的移植物结构,Masson三色染色显示胶原蛋白再生,为促进组织再生提供仿生微环境(右)。