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ACS Nano综述:纳米纤维技术用于再生工程

生物医学    2021-09-18 15:59

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再生工程学正在成为一种成功的策略,它采用融合了多个专业知识的融合方法来使复杂的组织和生物器官再生。

理想的生物材料是紧密模仿天然组织的细胞外基质(ECM)的层次结构和特征的材料。

纳米制造技术为纳米纤维支架的开发提供了极好的跳板,该支架可以在直接的细胞环境中产生积极的相互作用,并在分子水平上刺激特定的再生级联反应,从而产生健康的组织。

 

主要内容

在这篇综述中,系统地回顾了静电纺丝工艺技术及其在基于矩阵的再生工程中的应用,主要集中在肌肉骨骼组织上。

简要概述了静电纺丝/3D打印系统的双重性。

最后讨论了纳米纤维基质的技术前景和未来方向。

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基于基质的组织再生策略

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图2.(A)骨骼的层次化宏观结构构造和骨的圆柱形结构以及胶原蛋白的微结构/纳米结构。(B)细胞-纳米纤维相互作用的示意图

再生工程是一种新兴且日益重要的战略,它与先进材料科学,干细胞科学,生物物理学,发育生物学和临床翻译等领域相协调,以有效地再生复杂的组织和器官。

材料科学的进步使设计具有理想特性的生物材料支架成为可能。合适的支架应具有足够的初始机械强度,并具有与可吸收降解产物再生过程相符合的降解速率。

生物力学刺激可以通过产生、维持和与微环境中的机械力相互作用来控制和调节细胞的形态形成行为,这些机械力转化为生化信号,调节各种细胞反应。

用于生物医学目的的电纺丝纳米纤维的开发,旨在创建一个类似于天然ECM的人工微环境,提供促进组织再生的信号。

 

静电纺丝技术与工艺

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图3. 同轴、混合和多层静电纺丝系统的图解说明。(A)同轴静电纺丝,涉及通过内外针同轴喷丝头挤出两种不同的聚合物溶液,(B和C)同轴电纺纳米纤维的透射电子显微镜图像,(D)中空纳米纤维的微观视图。(E)分别使用混合和多层静电纺丝工艺制备的混合和多层纳米纤维。

 

电纺纤维的性能

1、细胞调节的适用性

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图4.定向至随机取向的电纺纳米纤维。

细胞材料的相互作用在组织再生中起着至关重要的作用,因为生物材料被设计用来调节和介导细胞的活性。

结果表明,将大鼠肌腱成纤维细胞以不同方向接种于不同纳米纤维表面时,其形态各异。

取向纤维部分比具有随机取向的纤维部分表现出更高的拉伸性能(最终强度和模量)。

 

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图5.纤维直径对支架细胞活性和机械性能的影响。

不同直径(320 nm,680 nm和1.8μm)的取向聚合物纳米纤维对TDF响应的影响(图5a)。

通过改变纤维直径来调节细胞,增殖,分化和基质的产生,因为与对照单层相比,纳米纤维支架上的细胞数量,总胶原蛋白和蛋白聚糖的产生更高(图5b-d)。

相比之下,微纤维增强了肌腱成纤维细胞表型标志物的表达,例如胶原蛋白I,III,V。 支架的机械性能取决于纤维直径的变化。

 

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图6.PLLA的电纺纳米纤维。

大量的研究表明,电纺丝纳米纤维支架可用于指导干细胞向肌肉骨骼表型的特异性分化。

细胞在排列整齐的纳米纤维上呈纺锤形,并且在排列整齐的纳米纤维上生长的细胞中,肌腱特异性基因的表达明显高于在随机排列的纳米纤维上生长的细胞。

碱性磷酸酶和茜素红染色的结果显示,纳米纤维的随机定向可以诱导成骨,而排列整齐的纤维支架阻碍了这一过程。

 

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图7.3D打印和静电纺丝技术的融合。

将静电纺丝和3D打印相结合,获得含有纳米纤维和3D打印组件的基体,从而实现高精度支架。

电纺丝/3D打印支架解决了传统电纺丝纳米纤维(如减少细胞渗入纳米孔)和3D打印支架(如打印分辨率低)的局限性。

Yu等人将PCL/明胶分散的纳米纤维注入3D打印的PCL支架网格中,设计了一种3D纳米支架。

 

持续释放的适用性

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图8.显示将生物活性分子整合到纳米纤维中的不同修饰方法的示意图。

信号分子(例如药物,蛋白质,生长因子和DNA)的使用是组织再生必不可少的方面,整合到电纺纳米纤维中,以实现持续和受控的递送。

根据材料的类型,生物活性分子可以通过不同的方式负载到纳米纤维中;通过化学或物理结合生物活性分子与纤维材料。

电纺纤维支架的高表面积-体积比保证了负载的生物活性分子和信号分子的有效传递。

 

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图9.制备三维(3D)电纺纳米纤维支架用于大鼠颅骨缺损模型的骨组织再生。

通过均质化,冷冻干燥和热交联等技术,使用预制的电纺纳米纤维制造了由纳米羟基磷灰石/ PLLA /明胶(nHA / PLA / GEL)组成的3D纳米纤维结构。

使用聚多巴胺(pDA)辅助方法将PEP固定在3D支架上。 体外和体内(通过大鼠颅骨缺损模型)分析表明,基于nHA / PLA / GEL / PEP的3D纳米纤维支架具有良好的生物相容性和骨诱导性,可用于骨再生工程。