2024上海高端医疗设备展Medtec解读生物材料之静电纺丝支架的组织工程与再生医学应用
2024-05-15
图1.仿生工程化肌肉-肌腱界面(MTJ)的制备及MTJ器官芯片的开发示意图。
DOI:10.1016/j.jmst.2021.10.039
骨愈合是一个复杂的再生过程，涉及多种因子的协同作用。其中，在骨折部位处成骨细胞会分泌骨形态发生蛋白2(BMP2)和结缔组织生长因子(CTGF)，进而刺激体内自身修复的机制。BMP2是具有软骨内骨生成和诱导成骨细胞分化作用的细胞外信号分子，具有强大的促成骨活性，常被用于骨损伤修复的研究促进成骨细胞生成和新骨形成，并被广泛用作治疗骨骼疾病的治疗性生长因子。CTGF是富含半胱氨酸的蛋白质，有利于骨髓基质干细胞的粘附和迁移，在软骨内和膜内骨化中起重要作用。在缺失CTGF小鼠的骨缺损中，成骨细胞成熟慢且矿化迟缓，造成骨骼异常。该研究中开发了一种具有双因子递送功能的纳米纤维载体，实现CTGF瞬时释放和BMP2持久释放的功能，用来模拟体内骨缺损自修复的生化环境，有利于探究这种双因子协同作用的意义。
图4. 负载BMP2和CTGF的 (SF/PCL)1:5 /PVA-LBL20复合纤维用于骨组织工程示意图。
皮肤损伤是日常生活中最常见的身体损伤之一。因此，快速的组织再生对于避免进一步的并发症和慢性感染至关重要。皮肤支架应具有细胞外基质(ECM)的生物学功能，如杀菌和消毒，从而为细胞粘附、增殖和进一步分化提供理想的微环境。该研究设计一种基于生物相容性和优良机械强度的新型伤口愈合生物材料。在该研究中，生物活性玻璃(BG)和沸石(咪唑酸框架8(ZIF-8)被纳入聚(ε-己内酯)/聚(乙烯醇)(PCL/PVA)复合皮肤支架中。ZIF-8的加入进一步增强了BG的稳定性，并显示出更好的抗菌效果。利用锌、Ca和硅离子的缓慢释放，它也能显著促进生长因子的表达和皮肤再生。
图5. (a) BG和ZIF-8的合成图。(b)合成葫芦串纳米纤维的示意图。(c)皮肤支架促进创面愈合的机制图。
DOI:10.1021/acsami.3c14529
皮肤复杂的伤口修复过程和微环境，创伤修复与再生是组织工程的研究重点，亦是全球生命健康领域的难题。尽管人造皮肤材料，如猪皮、“软湿”水凝胶、纳米纤维支架材料等已有报道，然而在微环境的调控以及肉感人造皮肤制备方面仍然是挑战。针对上述挑战，医疗器械行业展览Medtec了解到，研究人员创新性地结合静电纺丝与原位反应成膜方法将纳米纤维与凝胶复合，构筑了凝胶负载的纳米纤维肉感人造皮肤材料，该皮肤为加速伤口愈合提供了良好的微环境。采用静电纺丝技术制备了疏水亲水的PCL/PCL-PCE(PCL=聚己内酯，PCE =聚柠檬酸-co-聚赖氨酸)双层纤维膜，然后在疏水的PCL纤维膜表面原位反应形成亲水的凝胶层，从而获得了凝胶负载疏亲水纳米纤维人造皮肤材料。它不仅具有水凝胶和纳米纤维的透气性好、机械强度高、抗菌性能好、相容性好等优点，而且在外观、质地、功能等方面与真实皮肤相媲美。该肉感人造皮肤具有体液管理能力，可以在创面处建立良好的微环境，大大加快创面愈合。
*血管组织工程*
在小口径血管组织工程领域，如何赋予组织工程化血管(TEVGs)高效抗凝并诱导其快速内皮化仍是推动小口径TEVGs临床应用转化尚未解决的难题。加速原位内皮化同时抑制血栓形成是小口径组织工程血管移植成功的关键。在该研究中，开发了利用赖氨酸(Lys)掺杂聚多巴胺(PDA)涂层策略使TEVGs功能化，用于血管组织再生。以电纺排列聚L-丙交酯-己内酯(PLCL)纤维阵列作为示范生物材料，发现在多巴胺聚合过程中引入Lys，通过Schiff碱和Michael加成反应促进了纤维表面形成PDA-Lys复合涂层。这种表面功能化显著提高了涂层的均匀性、润湿性和蛋白质吸附能力。
图7. PDA-Lys涂层功能修饰PLCL取向纤维支架促进血管内皮层再生示意图。
DOI:10.1002/adfm.202110066
细胞的空间排列和三层结构对天然血管的生理功能至关重要。然而，很难在一个支架中同时实现这两种特性的构建。目前大部分三层血管支架的制备过程复杂且不可控。鉴于此，研究人员报告了一种明胶基仿生三层结构及空间排列的血管支架构建策略。研究通过分步静电纺丝技术，按序制备一个随机取向的纤维层和两个定向排列的纤维层，结合折叠和滚动操作获得三层血管支架。结果表明，三层血管支架具有很大的潜力，可以仿生天然血管三层结构并引导类似天然血管细胞的空间排列，从而进一步促进血管的全面重建和再生。
图8. 组织工程血管支架的制备示意图。
DOI：10.1016/j.ijbiomac.2023.125039
*神经组织工程*
在周围神经损伤治疗中，生物材料修复的关键策略是赋予支架必要的物理拓扑信号和生物化学信号，从而促进神经轴突的生长和定向延伸。为了模拟存在位于神经细胞外基质中的微纳米纤维结构，研究人员尝试在取向排列的聚合物纤维上涂覆DNM水凝胶，但复合支架的纤维拓扑结构会被高浓度水凝胶覆盖，弱化了物理诱导细胞。因此，在该研究中基于周围神经去细胞基质和聚己内酯(PCL)，通过静电纺丝技术制备得到两种不同组成和分布的复合纤维，系统地比较了两种复合纤维在物理化学性能和生物功能性上的差异，为去细胞基质在组织工程上的应用提供了一种新的可行方式。
DOI：10.1007/s42765-021-00124-5
遭受周围神经损伤的患者越来越多，为了成功地再生天然神经，近年来神经导管(NGCs)逐渐出现在临床研究中。当前人工神经支架领域的研究进展主要集中在支架结构的设计方面，这些带有微米或纳米结构的图案可在体外积极影响细胞，如促进细胞迁移和引导神经突沿纤维轴向生长。除了纤维的取向之外，基质材料的生物电特性是另一个直接影响细胞活动的关键因素。研究人员将线性排列的纤维与高导电性材料结合起来，研究了在电刺激(ES)下纤维的排列形貌对神经元细胞的体外生长行为和体内神经缺损修复的影响。该研究提出的具有优化排列的导电PCL/ CNTs复合纤维能够显著促进髓鞘和轴突再生，使用PCL/CNTs-1000+ES支架修复的神经在步行轨迹分析、电生理性能和组织学结果方面均表现出了一定的优势，因此在治疗物理性周围神经损伤领域具有良好的应用前景。
