李佳;周家华;许茜
【摘 要】背景：静电纺丝纳米纤维具有促进细胞生长的作用。目的：描述静电纺纳米支架对细胞生长的促进作用以及静电纺纳米支架孔径大小、机械强度缺陷改进的研究进展。方法：检索数据库为 CNKI 数字图书馆全文、PubMed 数据库2001至2011年有关静电纺丝和组织工程支架的文献。检索关键词为“组织工程,静电纺丝,支架；electrospinning,tissue engineering scaffolds,nanofiber”。结果与结论：静电纺丝纳米纤维直径、孔径大小及纤维表面对细胞生长行为有重要影响,小孔径静电纺丝纳米纤维支架不利于细胞浸润生长,且用单一电纺技术制备得到的纳米纤维支架机械性能较差,如何增加静电纺丝纳米纤维支架孔径大小以提高细胞的浸润以及提高其机械性能强度,是目前应用研究应解决的问题。%10.3969/j.issn.2095-4344.2012.47.023 【期刊名称】《中国组织工程研究》
优质课的标准
【年(卷),期】2012(000)047
我的叔叔于勒续写【总页数】6页(P8847-8852)
碳酸镁
【关键词】静电纺丝;组织工程;支架;纳米纤维;孔径;机械强度;细胞培养;生物材料
【作 者】李佳;周家华;许茜
【作者单位】东南大学附属中大医院普外科,江苏省南京市210009;东南大学附属中大医院普外科,江苏省南京市210009;东南大学附属中大医院普外科,江苏省南京市210009
【正文语种】中 文
【中图分类】R318
0 引言
组织工程包括生物支架和细胞两部分，以取代或修复受损的组织。良好的生物支架应该具有与再生组织相匹配的刚柔韧性，适当降解速率和生物相容性，并尽可能地模拟细胞在体内的内环境，从而提供细胞生长所需的微环境[1-2]。纳米材料由于很好地模拟了细胞在体内的拓扑结构，从而在组织工程领域得到了越来越广泛的应用。而静电纺丝技术能够连续
制备纳米级或亚微米级超细纤维，其制备的支架具有独特的微观结构和适当的力学性能，可以模拟天然细胞外基质的纳米网状结构，在组织工程支架制备方面具有独特的优势。
细胞在体内生存的微环境大多是由胶原纤维及其他细胞表面构成的纳米支架结构，除蛋白质是调节细胞生命活动的重要因素外，纳米级的支架结构界面是另一重要因素[3]。静电纺丝制备的纳米纤维有利于细胞的植入、贴附、营养物质的渗入及代谢废物的排出，为细胞的生长、增殖提供了良好的微环境，从而可以增强细胞的黏附、迁移、增殖及分化功能。文献报道的结果大多证实了静电纺纳米纤维促进细胞生长的作用。
但是，迄今静电纤维支架研究仍然停留在体外实验阶段(形貌及表征、细胞黏附、活性等)，体内研究直至实际应用未见。限制因素之一是相对较小的孔径，纳米纤维膜纺到一定厚度以后，膜内部的孔径就会变小，限制了细胞的浸润生长。对于绝大多数组织工程支架来说，细胞浸润深度至关重要。支架的机械性能问题是另一个限制因素，单一电纺技术制备的得到的纳米纤维支架机械性能较差，不利于细胞黏附与生长。如何制备出孔径大又具有适宜机械性能的纳米纤维材料是目前静电纺丝的研究难题。本文针对静电纺丝纳米纤维对细胞生长的促进作用及如何增加电纺纤维组合组织工程支架孔径大小和机械性能进行综述。配对交易
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1 资料和方法
1.1 资料来源 由第一作者检索 2001至2011年 PubMed数据库及CNKI数字图书馆全文。英文检索词为“electrospinning，tissue engineering scaffolds，nanofiber”，中文检索词为“组织工程，静电纺丝，支架”。检索文献量总计97篇。
1.2 纳入与排除标准
毒株纳入标准：①文章所述内容需与静电纺丝纳米纤维对细胞生长的影响、如何增加其孔径大小，以及如何提高机械性能强度等方面的研究密切相关。②同一领域选择近期发表或在权威杂志上发表的文章。
排除标准：综述及重复性研究。
1.3 数据提取 计算机初检共检索到 71篇文献，其中中文文献10篇，英文文献61篇，排除与研究目的相关性差及内容陈旧、重复的文献29篇，纳入42篇符合标准的文献进行综述。
1.4 质量评价 符合纳入标准的 42篇文献中，文献[1-3]介绍了生物组织工程的相关概念，文
献[4-17]探讨了静电纺丝纳米纤维对细胞生长的影响，文献[18-32]探讨了如何增加静电纺丝纳米纤维支架孔径大小以提高细胞的浸润，文献[33-42]探讨了如何提高静电纺丝纳米纤维支架机械性能强度。
2 结果
2.1 静电纺丝纳米纤维对细胞生长行为的研究组织工程的核心是建立由细胞和生物材料支架构成的三维空间复合体，种子细胞的体外培养是组织工程的核心内容之一[4]，直接也是最先与组织细胞相接触并发生作用的是材料表面，材料表面特性对于细胞黏附起重要作用，材料对组织细胞黏附的特性还将影响细胞的增殖、分化和凋亡等一系列生理过程。而纳米纤维材料最大的特点就是比表面积大，导致其表面能和活性的增大，从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应等[5]，从而能调节与其相接触的细胞黏附、伸展和增殖，以及提高细胞活性。目前静电纺丝纳米纤维支架的研究主要着眼于纳米材料表面的粗糙程度、孔径的大小及分布、纤维直径等对细胞生长的影响。
材料表面修饰是提高材料的生物相容性最经济有效的方法。对纳米纤维进行修饰就是通过材料表面与细胞间相互作用的角度来调控细胞的黏附、迁移、分化及增殖。Choi等[6]用表
面固定了人表皮生长因子的聚(己内酯-co-乙二醇)电纺纤维膜修复糖尿病溃疡，通过体外细胞培养评价了角化细胞在纤维膜上的分化情况，并通过糖尿病背部创伤动物实验确认了其创伤修复作用。Ma等[7]用凝胶接枝方法对静电纺支架表面进行修饰，结果显示，凝胶接枝方法能够明显提高内皮细胞在静电纤维上的扩散和增殖，并保持内皮细胞的自身功能。此外纳米材料表面粗糙程度研究表明，粗糙表面能够适度调控细胞黏附、增殖、分化和凋亡。Thapa等[8]发现当材料表面进入纳米级别时，膀胱平滑肌细胞的附着功能最强，而且材料表面的粗糙程度影响着细胞的附着功能。
细胞在纳米纤维上的生长行为与纤维直径相关，既往认为纳米纤维比微米纤维支架有更好的细胞黏附和增殖作用[9]。研究者发现纳米纤维具有高比表面积，能够促进蛋白质的吸附，从而改善细胞的黏附和增殖。Christopherson等[10]研究证实了纳米纤维蛋白质吸附的影响，他们发现在成纤维细胞生长因子2作用下，相比于微米级纤维，纳米纤维能明显改善神经干细胞黏附和增殖。然而最近的研究表明纤维直径和细胞相互作用之间的关系要复杂的多。Chen等[11]发现增加纳米纤维的直径会降低 NIH 3T3成纤维细胞的生长动力学，而在微米纤维上则表现相反。
纳米纤维孔径的大小影响细胞结合、迁移，以及细胞生长、细胞形态、表型表达的深度[12]。一般组织工程支架的孔径范围应控制在100-300 μm，以便于细胞长入、养分吸收和代谢产物排出[13]。孔径过大，当细胞种植于纳米材料上时，细胞会顺着过大的孔隙流走，对细胞没有屏障作用，难以保留在支架中；孔径过小，细胞则主要分布于支架材料的表面，不易进入支架中，同时也不利于新生血管生长[14]。目前研究者制备出拥有广泛孔隙分布的支架，从而可以在单一支架中培养不同类型的细胞并且创建多个细胞接口。例如在皮肤组织工程，多孔支架将促进成纤维细胞和血管细胞浸润，而支架表面相对较低的多孔结构将促进角质形成细胞的迁移和分化[15]。
除此之外，静电纺纳米支架的亲水性是影响生物材料与细胞相互作用最初行为的关键因素[16]。还有研究发现纳米支架材料对细胞生长因子的释放起一定作用，它可以将生长因子短期内爆发性的释放变成长时间的缓慢释放[17]，但纳米材料促进细胞生长的更深入的机制还有待进一步探讨。
2.2 静电纺丝纳米纤维支架的应用限制及解决方法 静电纺工艺是惟一能直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法，其所制备的纤维具有一定的三维立体结构，不但为细胞获取营养、
生长和代谢提供了一个有利的空间，也为植入的细胞分泌细胞外基质并最终形成相应的组织或器官提供了一个良好的环境。这些特点赋予电纺丝技术在制备组织工程支架领域具有广泛的应用前景。但是，迄今静电纤维支架研究仍然停留在体外实验阶段，体内研究直至实际应用未见。其原因包括纳米纤维支架固有的小孔径限制了组织细胞的生长、纳米纤维三维多孔支架机械性能较差以及静电纺丝纳米纤维膜形成支架困难等，限制了静电纺丝纳米纤维支架的应用。如何增加静电纺丝支架孔径大小以提高细胞的浸润以及提高其机械性能强度，是目前应用研究应解决的问题。
增加静电纺丝支架孔径大小：固有的小孔径纤维支架不适合细胞浸润生长，如何增加静电纺支架孔径，同时保持纤维形态和孔隙相互连通是目前一个重要的研究领域。实验者设计了一系列实验方法提高纳米纤维孔径，包括修改静电参数、收集装置及电纺后改变纤维膜的结构等。
增加静电纳米纤维支架孔径最简单的方法是修改电纺工艺参数。静电纤维膜的孔隙率和孔径大小，与纤维的直径密切相关[18]，对聚己丙酰胺静电纺丝后进行统计学分析，发现增加纤维的直径可以得到较大的孔径[19]。这可能是由于纤维直径的增加，相同体积内纤维
数量明显减少，即纤维所占的体积明显减少，而纤维直径增加带来的纤维体积增加十分有限，因此，随着纤维直径的增加，相同空间内的孔隙率增加。有研究认为纤维直径控制孔径的大小，且大孔径静电纺丝支架更利于细胞浸润[20]，但尚有研究发现随着纳米纤维直径的增大，虽然平面内纤维围成的孔径明显增大，但从三维角度看，材料内部的孔结构由于纤维的叠加并不会因为纤维直径的增加而改变，仍然成致密堆积，因此限制了细胞向纤维膜内生长[21]。大量实验研究纤维孔径以及纤维直径对细胞黏附扩散和浸润的影响，但由于实验参数不统一，尚未能得出孔径还是纤维直径对细胞影响作用大小的确切结论，尚需更进一步研究[22]。
通过改变收集装置形状，包括使用旋转芯棒收集装置、球形收集器以及湿法电纺设备均可以提高静电纺丝支架孔径大小。有研究设计了一种新型的由金属支架组成的缓慢旋转芯棒收集装置，试图增加静电聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维孔径及孔隙率，这种装置通过电场的改变有利于降低电纺纤维沉积的密度，可以制备出孔隙率为 92.4%，平均孔径大小为132.7 μm的纤维膜，并将人类的皮肤成纤维细胞接种到纤维膜中，5 d后细胞迁移和渗透深度超过100 μm。然而也存在电纺纤维在整个收集器沉积密度不均，导致纤维直径和孔径的分布不均匀的问题。Blakeney等[23]使用球形收集装置，低堆积密度和无压缩的方式制备
了一种高孔隙率和结构松散的三维棉花球般的支架，与传统静电支架相比，这些支架具有更大的孔径，并且能够促进细胞浸润。湿法静电纺丝技术不仅能增加静电纺丝支架的孔隙率和孔径，也可以降低支架的堆积密度，近年来在组织工程领域获得了一定的重视。与传统静电纺织收集器是一个导电板相比，湿法静电纺丝法纺丝装置的收集器为有机溶剂凝固浴，可以使电纺喷出的纺丝原液在其中析出而形成超细纤维，而在凝固浴中添加氯化钠等致孔剂可进一步增加孔径大小。Ki等[24]发现使用湿法静电纺丝联合致孔剂技术，可以使静电丝素蛋白的孔径从传统静电纺方法制备的 1.3-2.4 μm 增加至 586-931 μm。湿法静电纺丝的溶剂可以从凝固浴中回收，其在溶剂方面造成的危害较小，但其纺丝纺速较低，尚有待进一步改进电纺丝收集方法或设备，控制适宜的工艺参数，得到适宜的纳米纤维。
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