靜電紡多糖納米纖維特性及其再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)展

李欣+方婷

摘 要：靜電紡絲被認(rèn)為是制備聚合物納米纖維的有效技術(shù)，所得納米纖維具有生物相容性、生物降解性、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)良特性。因此，靜電紡絲技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。本文主要介紹了殼聚糖、魔芋葡甘露聚糖、纖維素、透明質(zhì)酸等幾種主要的天然高分子靜電紡絲纖維的研究進(jìn)展，并指出它們?cè)谠偕t(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：靜電紡絲；多糖；再生醫(yī)學(xué)

中圖分類號(hào) TQ340.64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）11-0019-05

Properties of Electrospun Polysaccharide Nanofiber and Application in Regenerative Medicine

Li Xin et al.

（College of Food Science，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China）

Abstract：Electrospining is an effective method for preparing polymer nanofibers. Electrospun nanofibers possess excellent characteristic such as good biocompatibility，controllable biodegradability，large specific surface area and high porosity. So it has shown promise in the fields of regenerative medicine. The research progress of several major natural polymer electrospun fibers such as chitosan，konjac glucomannan，natural cellulose，hyaluronic acid and its derivatives，etc. as well as important applications in biomedical field were mainly discussed.

Key words：Electrospinning；Polysaccharide；Regenerative medicine

再生醫(yī)學(xué)利用生物學(xué)及工程學(xué)的理論方法創(chuàng)造已經(jīng)丟失或功能損害的組織和器官，使其具備正常組織和器官的機(jī)構(gòu)和功能。再生醫(yī)學(xué)探索領(lǐng)域包括通過(guò)移植細(xì)胞懸浮體或聚合體來(lái)代替受損組織；生產(chǎn)能夠替代天然組織的生物化人工組織或器官的植入；通過(guò)藥物手段對(duì)損傷組織進(jìn)行再生誘導(dǎo)。而靜電紡絲制備的納米纖維直徑小于細(xì)胞，可模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物功能，是理想的細(xì)胞粘附增殖基質(zhì)；此外，其天然的電紡原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作為載體進(jìn)入人體，并容易被吸收；納米纖維與人的多數(shù)組織、器官在形式和結(jié)構(gòu)上類似，使其有應(yīng)用于組織器官的潛力。靜電紡絲納米纖維還具有比表面積大、孔隙率高等特性，因此在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了很大的關(guān)注，并已經(jīng)在藥物緩釋控釋載體、組織工程支架以及創(chuàng)傷輔料等方面得到了很好的應(yīng)用。

1 靜電紡絲原理

靜電紡絲是一種連續(xù)制備納米纖維的高效技術(shù)。主要裝置包括3個(gè)部分：供給靜電壓的高壓電源裝置、裝填紡絲液針管的噴絲裝置和接地的收集裝置。高壓電源可以提供1～30kV的直流電，高壓電源使液體帶電并被極化，最終從泰勒錐噴出形成射流。噴絲裝置是一個(gè)注射管，紡絲液裝在帶有針頭的管中，溶液多為聚合物溶液或是熔融狀態(tài)的熔體。收集裝置一般為接地的金屬板，此外，還有a、b等接收形式，因此，使其收集到多樣的纖維排列方式[1]。其制備納米纖維過(guò)程如圖1所示。靜電紡絲是讓具有一定程度分子纏結(jié)的聚合物溶液在高壓靜電的作用下使表面電荷斥力超過(guò)表面張力，產(chǎn)生泰勒錐并高速噴射出聚合物射流。紡絲溶液的粘度是紡絲纖維形成的關(guān)鍵：若粘度太小，在電場(chǎng)力的作用下會(huì)分離成小液滴；而射流粘度太高時(shí)，由于相鄰單元的電斥力致使射流側(cè)向凸出，幾乎不能制得纖維[2]。因此，可以通過(guò)使用合適的溶劑、調(diào)控溶液濃度等方式來(lái)提高靜電紡絲的效果。相比其他制備納米纖維的方法，如自組裝法、相分離法、模板合成法，靜電紡絲具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可紡物質(zhì)種類多、成本低、技術(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)。由于靜電紡絲溶液中溶有很多功能性物質(zhì)，且所得的納米材料具有高比表面積、高孔隙率、良好韌性及輕便的特點(diǎn)[3]。因此具有廣泛的用途，可望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

當(dāng)前靜電紡絲聚合物材料包括合成的、天然的以及二者的混合物。相比于合成聚合物原料（聚乙烯、聚丙烯及芳香族聚酯等），天然聚合物（如多糖、蛋白質(zhì)、脂類等）具有低毒性、優(yōu)良的生物相容性、可再生及生物降解性[4]。最近研究電紡多糖及其衍生物的數(shù)量增加，然而關(guān)于多糖的加工性的困難（例如：差溶解度和高表面張力）限制了其應(yīng)用。在這篇綜述中，總結(jié)了殼聚糖、魔芋葡甘聚糖、纖維素、透明質(zhì)酸等多糖的特征，以及目前正在使用或者有潛力應(yīng)用的靜電紡絲納米纖維。

2 靜電紡多糖的研究

多糖是單糖的均聚物或共聚物，多糖可以在多種生物中發(fā)現(xiàn)，包括微生物來(lái)源（例如葡聚糖）、動(dòng)物來(lái)源（如殼聚糖和透明質(zhì)酸）和植物來(lái)源（如藻酸鹽、纖維素和淀粉）。多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、分子重量和離子性質(zhì)多種多樣有助于其功能和生物活性的展現(xiàn)[5]。迄今為止已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，如電紡絲多糖及其衍生物制造的納米纖維在再生醫(yī)學(xué)中具有潛在的應(yīng)用。

2.1 殼聚糖 殼聚糖（CS）是天然生物大分子甲殼素通過(guò)脫乙酰而得到的衍生物。它由（1，4）連接的N-乙酰基-β-D-葡糖胺組成，是世界上第二大天然聚合物。它不僅具有優(yōu)良的生物可降解性、生物相容性和生物黏附性，而且易加工成為膜狀物或多孔支架[6]。甲殼素類纖維獨(dú)特的生物特性具體表現(xiàn)為組織親和性、無(wú)免疫抗原性、促愈合性、抑菌性等，因而成為重要的生物醫(yī)學(xué)材料之一。

Liang等[7]發(fā)現(xiàn)帶負(fù)電的磷黃病毒（PV）和帶正電荷的殼聚糖（CS）通過(guò)逐層（LBL）自組裝技術(shù)交替沉積在帶負(fù)電荷的纖維素墊上。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察LBL膜涂層的形貌。之后通過(guò)在模擬體液（SBF）溶液中溫育不同時(shí)間的纖維墊進(jìn)行體外仿生礦化。掃描電子顯微鏡（SEM），X射線光電子能譜（XPS）和X射線衍射（XRD）用于表征支架上沉積的礦物相的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，具有LBL結(jié)構(gòu)膜的支架對(duì)于MC3T3-E1細(xì)胞具有良好的細(xì)胞相容性。同時(shí)，細(xì)胞增殖受沉積層的數(shù)量和最外層的組成的影響。共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和SEM成像顯示MC3T3-E1細(xì)胞在生物復(fù)合支架表面對(duì)細(xì)胞粘附和擴(kuò)散具有良好性能。因此，CS/PV納米纖維氈有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)。

楊文靜[8]以靜電紡絲的方法制備了CS/PCL血管支架。采用SEM和電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)了該支架的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，將內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPCs）與該支架膜復(fù)合培養(yǎng)，評(píng)估了該血管支架維持細(xì)胞黏附、繁殖和分化的能力。SEM表征和力學(xué)性能測(cè)試表明CS/PCL支架具有和天然細(xì)胞外基質(zhì)/納米結(jié)構(gòu)相似的多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)CS與PCL的質(zhì)量比為0.5時(shí)，靜電紡絲所制備CS/PCL血管彈性變性能力較強(qiáng)。此外，CS/PCL具有CS和PCL的共同優(yōu)點(diǎn)，具有良好的細(xì)胞相容性，表面多孔結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞黏附生長(zhǎng)。這為組織工程內(nèi)皮種子細(xì)胞的種植提供一種合適支架。

陳嵐[9]嘗試靜電紡絲法制備類人膠原蛋白（Human-like collagen，HLC）-殼聚糖（chitosan）納米纖維薄膜，通過(guò)加入大分子量的聚環(huán)氧乙烷（PEO）改善了HLC與chitosan的紡絲性質(zhì)，使其可紡。形貌均一的類人膠原蛋白/殼聚糖復(fù)合材料克服了純組分材料降解過(guò)快的缺陷，能夠有效促進(jìn)細(xì)胞貼附與增殖，組織相容性良好。

2.2 魔芋葡甘露聚糖 魔芋葡甘露聚糖是一種從魔芋塊莖中提取的天然高分子聚合物，具有生物相容性、可降解性和水溶性，不溶于甲醇、乙醇、丙酮、乙醚等有機(jī)溶劑。有一定的黏度，符合靜電紡絲對(duì)紡絲溶液的基本要求。因其生物降解性、可再生性和低成本得到了廣泛的關(guān)注。魔芋葡甘露聚糖（KGM）由α-1，4的D甘露糖和D-葡萄糖組成，比例為1.6∶1，每12或18個(gè)重復(fù)單元含有乙?；鵞10]。同時(shí)，KGM是一種良好的膳食纖維，具有預(yù)防和治療高血壓、高血脂、心血管等疾病的藥理作用，也可以作為醫(yī)用材料用于醫(yī)學(xué)。正是因?yàn)殪o電紡絲得到的納米材料具有很好的生物相容性和結(jié)構(gòu)相容性[11]，已經(jīng)在組織工程支架、創(chuàng)傷修復(fù)、藥物釋放等方面得到了應(yīng)用。

目前KGM的納米技術(shù)研究大多有關(guān)于其結(jié)構(gòu)或KGM與其他材料的復(fù)合物。由于缺乏有機(jī)物溶劑，許多天然聚合物不能從其水溶液中靜電紡絲。Huarong Nie[12]等在研究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)電紡水溶液制成的魔芋葡甘聚糖（KGM）纖維支架的平均直徑在150nm至300nm范圍內(nèi)。在沒(méi)有任何化學(xué)交聯(lián)劑使用情況下，KGM水溶液通過(guò)低濃度NaOH稀釋處理后，實(shí)現(xiàn)脫乙?；?，提高了KGM纖維支架的穩(wěn)定性。同時(shí)，KGM/殼聚糖雙組分膜比較容易從稀酸溶液中獲得，隨著殼聚糖含量的增加，平均纖維直徑從350nm降低到180nm。關(guān)于生物學(xué)特性的研究表明納米纖維支架為骨髓基質(zhì)細(xì)胞提供更合適的空間，添加KGM可以提高殼聚糖材料的生物相容性。預(yù)計(jì)KGM及其復(fù)合納米纖維支架將具有潛在應(yīng)用于一種新型生物醫(yī)學(xué)材料。

王靜[13]將羥基磷灰石、魔芋葡甘聚糖、透明質(zhì)酸鈉三者復(fù)合，制備可用于骨組織工程的三維多孔骨組織工程支架材料，并對(duì)復(fù)合支架進(jìn)行了體外干細(xì)胞相容性實(shí)驗(yàn)，探討復(fù)合支架的使用性能。景森[14]發(fā)現(xiàn)，可以在 KGM 材料中引入一些具有生物特異性識(shí)別能力的多肽（如縮氨酸），或分子識(shí)別介質(zhì)（如整連蛋白）以上實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明所制備的復(fù)合支架具有一定的降解性、無(wú)毒性和良好的生物相容性，有望用作骨支架材料。

2.3 纖維素 纖維素由（1，4）連接的β-D-葡萄糖單元組成。由于其作為豐富的可再生資源和良好的生物降解性和生物系統(tǒng)相容性引起了很大的關(guān)注。纖維素的材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制藥和生物學(xué)領(lǐng)域，包括用作吸附珠、過(guò)濾器、人造組織皮膚和防化服[15]。然而纖維素的加工受其在有機(jī)溶劑中有限的溶解度而限制。纖維素比淀粉更容易結(jié)晶，纖維素需要320℃和25MPa壓力才能在水中變成無(wú)定形。

纖維素不熔化，因此必須從溶液中加工。直接溶解纖維素的幾種溶劑已被研究并用于靜電紡絲，包括N-甲基嗎啉N-氧化物/水（NMMO/水）和氯化鋰/二甲基乙酰（LiCl/DMAc）。最近已經(jīng)有離子液體用于制造電紡纖維素納米纖維，然而這些溶劑的揮發(fā)性低，因此不能完全在靜電紡絲過(guò)程中蒸發(fā)。此外，電紡絲溫度必須升高到溶劑熔融溫度以上（例如NMMO/水約85℃）。對(duì)于LiCl/DMAc溶劑系統(tǒng)，難以完全除去鋰或靜電紡絲后凝結(jié)氯離子。纖維素衍生物因其增強(qiáng)纖維素的溶解度從而提高其電紡絲性能已被廣泛利用。纖維素衍生物可以容易地電紡成纖維，然后通過(guò)水或乙醇水解轉(zhuǎn)化為纖維素。纖維素用于靜電紡絲的衍生物包括醋酸纖維素（CA），三乙酸纖維素（CTA），羥丙基纖維素（HPC），乙基纖維素（EC），甲基纖維素（MC）和乙基氰乙基纖維素（E-CEC）。電紡纖維素納米纖維基質(zhì)已被用作為親和力或阻隔膜，類似于膀胱的三維結(jié)構(gòu)基質(zhì)抗菌膜以及酶固定膜，藥物輸送膜[16-17]。

超細(xì)氧化纖維素（OC）基質(zhì)是通過(guò)靜電紡絲CA產(chǎn)生的超細(xì)纖維素的氧化隨后進(jìn)行乙酰化制備的。Khil等[18]人通過(guò)使用不同含量NO2氧化劑制備了具有不同羧基的OC基體。在PBS中孵育4d內(nèi)，OC基質(zhì)的重量損失大于90%。將電紡CA納米纖維膜用高碘酸納氧化產(chǎn)生醛基，共價(jià)連接其上含有IgG結(jié)合結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)A/G配體[19]。該膜為小規(guī)?？焖偌兓贵w提供了有用的工具。張等人[20]也用二乙基氨基乙基官能化的納米纖維膜（DEAE）組作為弱陰離子交換組制造再生纖維素，并評(píng)價(jià)他們生物分離應(yīng)用的潛力。DEAE功能化纖維素納米纖維具有增強(qiáng)牛血清蛋白（BSA）的粘合能力。直徑超細(xì)的纖維素通過(guò)靜電紡絲和堿性水解制備100nm的CA。電紡絲納米纖維的表面通過(guò)與PEG二酰氯反應(yīng)被激活，然后使用簡(jiǎn)單的碳二亞胺化學(xué)共價(jià)結(jié)合脂肪酶。結(jié)合的脂肪酶在升高的溫度下顯示出比游離脂肪酶更高的催化活性，在60和70℃下高至8～10倍。

來(lái)自纖維素及其衍生物的電紡絲納米纖維通過(guò)將功能性化合物（例如藥物）摻入紡絲溶液而被官能化。通過(guò)向丙酮/水（80/20，w/w）中的CA溶液中加入硝酸銀制備抗微生物CA納米纖維膜。隨后通過(guò)用UV光照射電紡纖維將銀離子光還原成銀納米顆粒。顆粒均勻分散在纖維上表面，其粒度范圍為10～20nm。CA含有銀納米顆粒的纖維對(duì)金黃色葡萄球菌，肺炎克雷伯菌，大腸桿菌和銅綠假單胞菌顯示非常強(qiáng)的抗微生物活性。具有殺菌性能的納米纖維也由靜電紡制含有氯己定（CHX）的CA溶液殺菌劑和有機(jī)鈦酸酯Tyzor TE（TTE）作為交聯(lián)劑制備的[21]。所得纖維基質(zhì)由于CHX固定在纖維上及未釋放結(jié)合而在抑制區(qū)內(nèi)，因此在接觸時(shí)表現(xiàn)出對(duì)表皮葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌性能。

2.4 透明質(zhì)酸 透明質(zhì)酸（HA）是一種線性多糖，由（1，4）連接的α-D-葡萄糖酸的交替二單元和（1，3）連接的β-N-乙?；?D-葡萄糖胺組成。HA是結(jié)締組織（ECM）的主要成分，具有重要的生物學(xué)功能[22]。由于優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，HA及其衍生物已被廣泛應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域包括組織工程支架，傷口敷料，藥物輸送系統(tǒng)和植入材料。

作為天然ECM的主要組成部分，類似于藻酸鹽，電解HA水溶液是非常困難的，因?yàn)镠A水溶液的粘度和表面張力異常高從而阻礙靜電紡絲過(guò)程。另外，由于靜電紡絲時(shí)溶劑的蒸發(fā)不充分，HA的強(qiáng)保水能力導(dǎo)致電紡絲納米纖維在集電體上融合。只有在吹制輔助靜電紡絲（電噴吹系統(tǒng)）的發(fā)展之后，才能從水溶液中將HA制成納米纖維膜[23]。使用DMF/水制造HA納米纖維混合物（平均直徑=200nm），顯著地降低了表面張力，而不改變HA溶液的粘度。HA/明膠納米纖維基質(zhì)也可以通過(guò)這種方法生產(chǎn)（平均直徑=190～500nm）。HA通過(guò)與明膠，PEO和玉米蛋白混合而電紡絲。添加HA提高明膠水溶液形成明膠/HA納米纖維的電紡絲能力。一系列玉米蛋白/HA混合纖維膜與亞甲基二苯交聯(lián)制二異氰酸酯（MDI），其混合纖維平均直徑隨著玉米蛋白含量的增加而增加[24]?；贖A的納米纖維膜已經(jīng)非常有吸引力作為仿生組織工程支架，傷口愈合材料，和藥物輸送系統(tǒng)。所以為了模仿天然ECM的架構(gòu)使用硫醇化-HA衍生物（例如：3，3-二硫代雙（丙酰二酰肼）改性透明質(zhì)酸；HADTPH）電紡絲形成納米纖維基質(zhì)。NIH3T3成纖維細(xì)胞連接到基質(zhì)上在基質(zhì)內(nèi)擴(kuò)展樹(shù)突形態(tài)，這表明HA-DTPH納米纖維在細(xì)胞包封和組織再生基質(zhì)中的潛在應(yīng)用[25]。

3 總結(jié)

電紡多糖納米纖維在許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有很大的潛力，包括再生醫(yī)學(xué)。電紡多糖納米纖維的未來(lái)關(guān)鍵挑戰(zhàn)可能包括選擇適當(dāng)多糖、使用混合溶劑、各種衍生物的合成，天然或雜化物合成聚合物，核-殼結(jié)構(gòu)、鼓泡電紡絲和微/納米纖維復(fù)合材料的制造。在這篇文獻(xiàn)中，總結(jié)了目前正在使用的多糖的一般特征及其靜電紡絲在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。通常使用較多的多糖是葡聚糖，纖維素，透明質(zhì)酸，殼聚糖，淀粉[26]。盡管在許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中大多數(shù)多糖靜電紡絲是有用的，但電紡絲仍然存在要克服的局限性。特別是多糖有限的溶解度，如纖維素。已經(jīng)報(bào)道了各種各樣提高溶解度的方法，包括衍生物的合成和混合溶劑體系的使用。由于固有的高分子量引起的高粘度也會(huì)導(dǎo)致一些電紡絲多糖電紡絲能力差，如殼聚糖和透明質(zhì)酸。這些可以通過(guò)改變其它聚合物的共混和溶劑組成比來(lái)克服問(wèn)題。

天然存在的多糖具有生物兼容和安全性因此應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)。然而，改善電紡絲納米纖維的表面功能和生物活性分子對(duì)于特定的生物醫(yī)學(xué)可能是非常重要的應(yīng)用程序。表面化學(xué)，微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化納米纖維基質(zhì)顯著影響細(xì)胞粘附，增殖和分化。與隨機(jī)取向的納米纖維相比，排列的納米纖維誘導(dǎo)創(chuàng)傷愈合過(guò)程中的神經(jīng)突生長(zhǎng)和增強(qiáng)皮膚細(xì)胞遷移[27]。此外，固定的生化因子（如可溶性因子）顯著促進(jìn)神經(jīng)突生長(zhǎng)。電紡絲納米纖維基質(zhì)通過(guò)氧或氨等離子體處理進(jìn)行化學(xué)修飾，與未處理的基質(zhì)相比，接種到等離子體處理的基質(zhì)上的成纖維細(xì)胞的粘附和增殖有明顯改善。制備用于再生醫(yī)學(xué)中各種應(yīng)用的多糖的電紡微/納米纖維復(fù)合材料也是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榧{米纖維基質(zhì)既不為基質(zhì)內(nèi)的細(xì)胞遷移提供足夠的空間，也不能附著在細(xì)胞的有效點(diǎn)。因此，研究了由微纖維和納米纖維組成的相同構(gòu)造的合成聚合物的復(fù)合材料[28]。另外，電紡絲的關(guān)鍵問(wèn)題是再生醫(yī)學(xué)中的多糖納米纖維可能需要更多的動(dòng)物研究，通過(guò)材料科學(xué)家和臨床醫(yī)生協(xié)作可以取得快速進(jìn)展。

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（責(zé)編：張長(zhǎng)青）