靜電紡取向納米纖維的制備及在組織工程中的應(yīng)用進(jìn)展

周歆如,胡鋮燁,范夢(mèng)晶,韓 瀟,2,洪劍寒,2,3,*

(1.紹興文理學(xué)院 紡織服裝學(xué)院,浙江 紹興312000;2.浙江省清潔染整技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 紹興312000;3.纖維基復(fù)合材料國(guó)家工程研究中心紹興分中心,浙江 紹興312000)

隨著科技的進(jìn)步,納米技術(shù)的發(fā)展更加迅速,合成納米纖維逐漸被人們熟知。在眾多合成納米纖維的制備方法中,靜電紡絲以其簡(jiǎn)單快捷、經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)被重視起來(lái)。該技術(shù)通過(guò)在設(shè)定的參數(shù)條件下對(duì)高分子聚合物進(jìn)行加工從而得到具有納米級(jí)尺寸的纖維支架,主要具有以下優(yōu)點(diǎn):設(shè)備成本低,裝置簡(jiǎn)單,易于操作,可實(shí)現(xiàn)纖維取向、結(jié)構(gòu)、形貌調(diào)控,可一步合成復(fù)合/多功能納米纖維材料。典型的靜電紡裝置主要由高壓電源、注射泵、噴絲頭和接收器組成[1]。在靜電紡絲過(guò)程中,噴絲頭與接收器之間會(huì)存在高壓靜電場(chǎng),從注射泵推出的聚合物液體(或熔體)經(jīng)過(guò)噴絲頭時(shí),液體表面產(chǎn)生的靜電排斥作用會(huì)克服表面張力使得液體被拉伸為圓錐狀,形成射流。射流在噴發(fā)進(jìn)程中直徑減小、溶劑揮發(fā),最終固化為非織造纖維氈并收集在接收器上。通過(guò)靜電紡絲成功制備的聚合物納米纖維的性能是由溶劑、聚合物溶液、環(huán)境條件和電壓、流速、接收距離等工藝參數(shù)共同決定的[2]。由于具有比表面積大、孔隙率高、易于修飾等優(yōu)良特性,靜電紡納米纖維最早被用作過(guò)濾材料以捕獲溶膠粒子[3]?，F(xiàn)如今靜電紡納米纖維在生物醫(yī)藥、組織工程、智能紡織品、電子器件等領(lǐng)域都引起了極大的關(guān)注。納米纖維材料已成為我國(guó)未來(lái)戰(zhàn)略發(fā)展的重要材料,具有廣闊的市場(chǎng)前景[4]。

近幾十年來(lái),研究者們通過(guò)改進(jìn)接收裝置、針頭結(jié)構(gòu)等制備了一系列不同堆積方式的納米纖維結(jié)構(gòu),高取向納米纖維因其特殊的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。詳細(xì)介紹了靜電紡絲制備取向納米纖維的方法和取向納米纖維的應(yīng)用,并對(duì)取向納米纖維的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。鑒于定向納米纖維在生物組織工程領(lǐng)域的重要性,本文進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

1 靜電紡取向納米纖維的制備方法

靜電紡絲是將處于電場(chǎng)中的聚合物在靜電力的影響下克服表面張力產(chǎn)生射流,以纖維的形態(tài)收集的過(guò)程[5]。靜電紡取向納米纖維是具有好的取向性和高度規(guī)則排列的纖維,它是通過(guò)改進(jìn)收集設(shè)備、增加輔助電極等方式調(diào)節(jié)電場(chǎng)分布,來(lái)改變射流在特定區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡而得到的。將獲得的納米纖維通過(guò)加捻、集束等方法處理后還可獲得納米纖維紗線(xiàn),有利于擴(kuò)展靜電紡納米纖維的應(yīng)用。早期人們使用鋁箔和金屬網(wǎng)格作為收集裝置只能接收到無(wú)序的纖維,因而通過(guò)改進(jìn)收集裝置制備取向納米纖維是當(dāng)前比較常見(jiàn)的方法。根據(jù)收集裝置的不同,可將靜電紡納米取向纖維的制備方法分為旋轉(zhuǎn)式收集法、水浴收集法、平行板收集法3類(lèi)。

1.1 旋轉(zhuǎn)式收集法

旋轉(zhuǎn)式收集法是最為普遍的制備取向納米纖維的方法,它是利用旋轉(zhuǎn)器對(duì)射流的機(jī)械牽伸來(lái)達(dá)到靜電紡納米纖維取向收集的目的。利用高速旋轉(zhuǎn)的滾筒收集裝置可將納米纖維平行取向排列。理論上,滾筒表面的線(xiàn)速度不小于纖維的沉積速度時(shí),即可以制備出單軸取向的納米纖維。

旋轉(zhuǎn)式收集法早在20世紀(jì)末被Doshi[6]用于研究靜電紡制備聚合物納米纖維的試驗(yàn)中,試驗(yàn)表明高取向纖維可以通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的滾筒收集裝置,使射流中的分子結(jié)晶延伸來(lái)得到,但受一些包括表面電荷、電場(chǎng)強(qiáng)度、空氣和噴流之間界面張力參數(shù)的影響,并不能穩(wěn)定得到高取向纖維。

Mat hew等[7]發(fā)現(xiàn)滾筒式收集器的轉(zhuǎn)速存在一個(gè)最佳點(diǎn),在滾筒速度為1 200 r/min時(shí),纖維的取向度最高;若滾筒速度達(dá)到1 600 r/min時(shí),纖維會(huì)呈現(xiàn)出波浪狀。可知,只有在旋轉(zhuǎn)滾筒表面線(xiàn)速度與射流沉積速度相匹配時(shí),纖維的取向度才會(huì)高。隨著滾筒速度的增加,纖維直徑分布變得更窄,這是因?yàn)橹睆捷^大的纖維部分減少了。表面速度越高,其對(duì)拉伸性能的影響越明顯,在0°角下,隨著滾筒速度的增加,性能提高了近4倍。雖然旋轉(zhuǎn)式滾筒收集法操作簡(jiǎn)易,但耗時(shí)耗能取向度不高,受其裝置的啟迪,相關(guān)研究人員開(kāi)展了新的研究。

Theron等[8]設(shè)計(jì)了一個(gè)圓盤(pán)作為收集裝置,它有著鋒利的邊緣,根據(jù)尖端放電原理電荷容易在上面聚集,隨著轉(zhuǎn)盤(pán)的高速轉(zhuǎn)動(dòng),射流在機(jī)械作用下形成取向排列的納米纖維,如圖1所示。利用這個(gè)設(shè)備紡制了取向聚氧化乙烯(PEO)納米纖維。但因圓盤(pán)的邊緣只有5 mm厚,有效面積較小,因此該裝置不可用于取向納米纖維的大量收集,無(wú)法得到廣泛應(yīng)用。

圖1 圓盤(pán)式收集裝置示意圖

1.2 水浴收集法

由于旋轉(zhuǎn)式收集法裝置的輥軸轉(zhuǎn)速較高,相關(guān)研究人員發(fā)明了一種帶有水槽的輥軸收集裝置,它只需要輥軸較低的轉(zhuǎn)速便可得到取向度更高的納米纖維。水浴紡紗是利用液體獨(dú)有的特性和機(jī)械拉伸的作用力共同作用于纖維使其凝聚在一起,其中液體的表面張力對(duì)纖維的凝聚起著關(guān)鍵作用,射流在液體這一接收凝固浴里可以直接沉積。在水浴中紡絲有利于納米纖維上的剩余電荷通過(guò)導(dǎo)電液體快速逃逸,減弱射流間的排斥力,有效解決電荷在空氣介質(zhì)里逸散緩慢的問(wèn)題,之后再匯聚在轉(zhuǎn)軸表面制備出取向納米纖維。

1.2.1 靜態(tài)水浴

Smit[9]等在原來(lái)傳統(tǒng)的裝置上進(jìn)行了改造,將圓形的玻璃皿作為收集裝置,玻璃皿里裝滿(mǎn)了水,底部放置一個(gè)圓形金屬片,并通過(guò)一根導(dǎo)線(xiàn)接地,紡絲后水面上凝聚著無(wú)序的纖維,通過(guò)機(jī)械拉伸作用被拉到轉(zhuǎn)軸上進(jìn)行收集。用靜電紡絲法在靜態(tài)液體收集器上可獲得連續(xù)的單軸纖維束紗線(xiàn)。Smit利用該方法制備了聚醋酸乙烯酯、聚偏二氟乙烯和聚丙烯腈的電紡納米纖維。該裝置操作技術(shù)易于使用,所得紗線(xiàn)排列整齊且纖維取向度高,但纖維之間易出現(xiàn)粘連且要求所用材料不溶于水且收集速率較低,因而應(yīng)用較少。

1.2.2 動(dòng)態(tài)水浴

Teo等[10]用動(dòng)態(tài)的水作為支撐和工作介質(zhì)組成靜電紡纖維的新系統(tǒng),如圖2所示。該系統(tǒng)包括上下平行的2個(gè)水槽和一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)的卷筒,沉積在上方水槽里的電紡纖維可以通過(guò)底部中心直徑為5 mm的小孔,小孔外圍的漩渦帶動(dòng)沉積的纖維做圓周運(yùn)動(dòng),隨后流到下方的水槽。在離心力和水流的作用下纖維產(chǎn)生牽伸匯聚成纖維束再卷繞到卷筒表面,上方水槽的水流至下方水槽后通過(guò)水泵輸送回去,水循環(huán)由此產(chǎn)生。上水槽與一根導(dǎo)線(xiàn)相連,導(dǎo)線(xiàn)接地起到去除多余電荷的作用。通過(guò)該裝置可以制備成連續(xù)的取向納米纖維,但紗線(xiàn)直徑的變化不太穩(wěn)定,纖維間的纏結(jié)現(xiàn)象較為明顯,可歸因于不同進(jìn)料速率所使用的恒定卷取速度,不同進(jìn)給率的卷取速度、渦流中水的速度、聚合物的性質(zhì)、外加電壓等其他參數(shù)有待優(yōu)化。

圖2 動(dòng)態(tài)水浴收集裝置示意圖

1.2.3 旋轉(zhuǎn)水浴

Li等[11]介紹了一種靜電紡絲過(guò)程中使用的旋轉(zhuǎn)水收集器。利用該工藝成功制備了沿周向排列的納米纖維。液體收集器的運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)電性被認(rèn)為是研究靜電紡絲納米纖維與液體表面相互作用的兩個(gè)主要因素。通過(guò)對(duì)液體收集器運(yùn)動(dòng)理論的分析,證實(shí)液體流速?gòu)男郎u中心向容器邊緣呈下降趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著流體流速的增加,納米纖維的取向度也隨之增加。

1.3 平行板收集法

平行板收集法是研究者制備取向納米纖維的常用方法,該方法針對(duì)旋轉(zhuǎn)收集法不能大量收集的缺點(diǎn)做出了改進(jìn),用到的收集裝置是兩個(gè)處于電場(chǎng)中的平行電極,因?yàn)殡妶?chǎng)力對(duì)帶有電荷的射流起到一定影響,射流會(huì)改變其運(yùn)動(dòng)軌跡,形成懸垂在電極板之間的取向納米纖維。

Li等[12]提出了一種基于靜電紡絲制備聚合物、陶瓷和復(fù)合材料單軸取向納米纖維的簡(jiǎn)單易行的方法。該方法成功的關(guān)鍵是使用了一個(gè)集電體,集電體由兩塊接地的導(dǎo)電收集板組成一個(gè)接收裝置,如圖3所示,兩塊收集板之間有一個(gè)寬度從數(shù)百微米到幾厘米不等的間隙。由于兩個(gè)平行的電極板電位相同,對(duì)射流的作用力也相同,受拉伸的射流最終在兩個(gè)電極之間的空隙沉積。處于懸浮狀態(tài)的納米纖維轉(zhuǎn)移方便,用途較為廣泛,被拉伸后跨越間隙的納米纖維還能夠產(chǎn)生更大面積的取向排列。但是該方法也有一些局限,它不能制備一些尺寸很小的納米纖維,只能制備直徑較大的納米纖維,直徑太小的納米纖維會(huì)因?yàn)樽陨硖p而受到纖維之間庫(kù)侖力的干擾,從而會(huì)發(fā)生斷裂。而納米纖維的取向與排列程度也會(huì)隨著自身厚度超過(guò)某數(shù)值之后而產(chǎn)生變差的趨勢(shì)。

圖3 平行板電極收集裝置示意圖

Yang等[13]提出一種用具有相反磁性的平行永磁體作為收集裝置制備取向納米纖維的方法,裝置如圖4所示,并用此方法制備了取向排列的PVA納米纖維。在該裝置中,2個(gè)相距5 c m的磁體之間有著磁場(chǎng)作用力,當(dāng)纖維落在磁鐵上時(shí),磁場(chǎng)將纖維拉伸穿過(guò)間隙,形成平行陣列。紡絲時(shí)纖維束落下,靠近磁鐵的纖維段被吸引到磁鐵表面,最后纖維落在2個(gè)磁鐵上并懸浮在間隙上方。添加了磁性納米粒子被磁化的紡絲溶液會(huì)受到磁場(chǎng)的影響并沿著磁場(chǎng)線(xiàn)按規(guī)律排列,可以得到取向排列的納米纖維,并且由此產(chǎn)生的纖維可以轉(zhuǎn)移到基板表面,如鋁箔和玻璃載玻片,可應(yīng)用于電子和光子器件、聚合物復(fù)合材料和組織工程中。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單,操作容易,且能得到較大面積、取向度高的納米纖維。

圖4 平行永磁體收集裝置示意圖

Katta等[14]設(shè)計(jì)了一種帶平行銅線(xiàn)框的圓筒收集裝置,該裝置結(jié)合了平行板收集法和旋轉(zhuǎn)收集法的特點(diǎn),如圖5所示。兩邊的圓盤(pán)通過(guò)一根桿子相連,銅線(xiàn)卷筒與帶2個(gè)滑輪的電機(jī)相連且接地,并以1 r/min的速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)滾筒緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí),下一根銅線(xiàn)吸引納米纖維,納米纖維垂直于銅線(xiàn)拉伸以跨越銅線(xiàn)之間的間隙。納米纖維的排列由靜電相互作用驅(qū)動(dòng),靜電相互作用允許帶電的納米纖維在電線(xiàn)之間的縫隙中伸展和跨越,并在大面積上形成軸向排列的陣列。但隨著紡絲的進(jìn)行,電荷積累得越來(lái)越多且難以消除,纖維開(kāi)始以隨機(jī)模式旋轉(zhuǎn),形成纏結(jié),纖維的定向排列受到干擾,無(wú)法得到所有部分都是取向排列的纖維。

圖5 平行銅線(xiàn)框圓筒收集裝置

Su等[15]用平行感應(yīng)板輔助靜電紡絲(PIES)獲得高效定向納米纖維,在這種新型靜電紡絲裝置中,靜電噴絲板包含在一對(duì)平行感應(yīng)板中,可以改變靜電紡絲過(guò)程中電場(chǎng)線(xiàn)的形狀和方向,從而控制紡絲納米纖維的飛行軌跡和空間定向。這種靜電紡絲裝置可以將電場(chǎng)線(xiàn)分成兩部分,分別指向上下感應(yīng)板的邊緣。然后納米纖維沿著電場(chǎng)線(xiàn)移動(dòng),懸浮并排列在平行的感應(yīng)板之間。最后,這種排列良好的納米纖維可以很容易地轉(zhuǎn)移到其他基底上進(jìn)行進(jìn)一步的表征和應(yīng)用。利用PIES技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了平均直徑為(469±115)n m、長(zhǎng)度為140 mm的取向納米纖維。此外,還可以方便地得到不同交角的納米纖維陣列和由排列的納米纖維形成的三維薄膜。

2 取向納米纖維在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究

組織工程是當(dāng)今比較熱門(mén)的跨學(xué)科和多學(xué)科研究領(lǐng)域之一。它涉及使用活細(xì)胞,通過(guò)細(xì)胞外環(huán)境或基因控制,以開(kāi)發(fā)植入體內(nèi)的生物替代物或以某種積極的方式促進(jìn)組織重塑。組織工程的核心技術(shù)可分為3個(gè)領(lǐng)域:細(xì)胞技術(shù)、支架構(gòu)建技術(shù)和體內(nèi)集成技術(shù)。支架構(gòu)建技術(shù)專(zhuān)注于設(shè)計(jì)、制造和表征用于細(xì)胞接種和體外或體內(nèi)培養(yǎng)的三維支架。組織工程中理想的支架材料應(yīng)滿(mǎn)足以下要求:(1)具有高孔隙率和適當(dāng)?shù)目讖椒植?(2)需要高表面積;(3)通常需要生物降解性,降解速率應(yīng)與新組織形成速率相匹配;(4)支架必須具有所需的結(jié)構(gòu)完整性,以防止支架孔隙在新組織形成過(guò)程中坍塌,并具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能。除此之外,支架還應(yīng)具有無(wú)毒、生物相容的特點(diǎn),與細(xì)胞之間有著積極的相互作用,以促進(jìn)細(xì)胞在支架中的粘附、增殖、遷移和分化[16]。

人體具有各種組織,它們微觀(guān)結(jié)構(gòu)有序,細(xì)胞排列規(guī)整,如肌肉、骨骼肌、血管、皮膚、神經(jīng)等。近年來(lái),靜電紡取向納米纖維因其超細(xì)直徑、超高比表面積、超高孔隙率、良好的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn),在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用取得較大進(jìn)展。憑借著這些特性它可以代替天然的細(xì)胞外基質(zhì)纖維,能夠起到促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)、引導(dǎo)組織再生有序排列的作用[17]。隨著研究的不斷深入,目前已證實(shí)取向納米纖維可用于組織工程中的修復(fù)和再生。

2.1 血管組織

心血管類(lèi)疾病給人們帶來(lái)的危害不可小覷,因而血管重建的研究非常重要。臨床外科針對(duì)血管組織工程研究提出兩種主要的重建方法:自體血管移植和假體血管移植,但兩種方法都存在一定的問(wèn)題。自體血管移植會(huì)受到患者血管疾病或血管缺失等方面的限制,且術(shù)后發(fā)病率較高。而假體血管移植會(huì)出現(xiàn)生物相容性問(wèn)題且可能會(huì)形成血栓。因而用組織工程方法制造的小口徑血管,有望解決以上問(wèn)題[18]。

Xu等[19]研究了在靜電紡納米纖維墊上培養(yǎng)血管內(nèi)皮細(xì)胞。通過(guò)比較電紡PLLA納米纖維和鑄造光滑PLLA膜上的細(xì)胞生長(zhǎng),發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮細(xì)胞在光滑PLLA膜上功能增強(qiáng)。由于靜電紡納米纖維墊能夠很好地支持血管平滑肌蚌細(xì)胞的生長(zhǎng),因此,平滑膜與靜電紡納米纖維墊結(jié)合在一起可以形成用于血管組織工程的良好3D支架。

Xu等[20]通過(guò)靜電紡絲制備了一種獨(dú)特的可生物降解的聚合物納米纖維支架。細(xì)胞形態(tài)學(xué)、粘附和增殖研究表明,冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞與該支架之間存在良好的相互作用,細(xì)胞沿纖維方向定向生長(zhǎng)。與平面聚合物膜相比,平滑肌細(xì)胞在定向納米纖維支架上的粘附和增殖率顯著提高。試驗(yàn)結(jié)果表明這種合成的定向基質(zhì)結(jié)合了合成的可生物降解聚合物、模仿天然平滑肌細(xì)胞的納米尺寸和復(fù)制血管特定結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),是一種理想的組織工程支架,尤其是在血管組織領(lǐng)域。

2.2 神經(jīng)組織

神經(jīng)組織是取向納米纖維在組織工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的。神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性,以及其緩慢的再生速度,使得在發(fā)生損傷時(shí),與人體其他組織相比,治療難度更大。如今研發(fā)的對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)的治療方法包括自體移植、異體移植和藥理學(xué)藥物的使用,都存在一些問(wèn)題,不能完全修復(fù)損傷[21]。近年來(lái),納米技術(shù)應(yīng)用于組織工程的方法吸引了許多研究者以有效的方式指導(dǎo)組織再生。

WANG等[22]通過(guò)一種先進(jìn)的干濕靜電紡絲方法制備了定向?qū)щ娂{米纖維束,并組裝成定向納米纖維紗后與水凝膠復(fù)合,形成水凝膠為“殼”,導(dǎo)電納米纖維紗線(xiàn)為“芯”的“芯-殼”結(jié)構(gòu)支架,以模擬天然神經(jīng)組織的3D層次排列結(jié)構(gòu),水凝膠殼模擬神經(jīng)外膜層,在3D環(huán)境中起到保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞組織的作用。這種納米纖維結(jié)構(gòu)的三維定向支架具有在三維環(huán)境中誘導(dǎo)神經(jīng)突起定向延伸及誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞沿納米纖維方向遷移的能力。

JIA等[23]通過(guò)研究首次證明納米纖維排列差異調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的形狀和極化,從而影響周?chē)窠?jīng)再生的結(jié)果。研究結(jié)果表明,排列整齊的納米纖維支架可顯著誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞伸長(zhǎng),并使巨噬細(xì)胞極化,形成促進(jìn)愈合的表型。此外,經(jīng)定向納米纖維支架極化的巨噬細(xì)胞在體外可以促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和遷移,由取向納米纖維構(gòu)建的神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管在體內(nèi)能顯著提高促愈合巨噬細(xì)胞、雪旺細(xì)胞浸潤(rùn)和軸突再生的比例。這些發(fā)現(xiàn)表明,至少有部分取向納米纖維通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞表型來(lái)促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生。

2.3 骨骼肌組織

體外骨骼肌組織的創(chuàng)建是近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域最感興趣的課題之一,使用生物材料支撐結(jié)構(gòu)或支架促進(jìn)體外肌肉的形成也是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。骨骼肌疾病的性質(zhì)是復(fù)雜的,包括影響骨骼系統(tǒng)不同結(jié)締組織的廣泛病理學(xué),包括骨骼、軟骨、肌肉、肌腱和韌帶。由于對(duì)許多此類(lèi)疾病的病因缺乏了解,在大多數(shù)情況下,治療選擇僅限于控制癥狀,而非治療或預(yù)防[24]。一種可能的解決方案是使用電紡支架,因?yàn)槠溆糜诩∪饪赡軡M(mǎn)足骨骼肌疾病的需要,突出可能促進(jìn)細(xì)胞組織的排列。

Par k等[25]開(kāi)發(fā)了一種用來(lái)評(píng)估隨機(jī)排列和定向排列的電紡納米纖維的滲透性和取向?qū)趋兰〖?xì)胞的影響的策略,制備了隨機(jī)排列和定向排列的納米纖維的雜化支架,定向排列的納米纖維在支架表層指引細(xì)胞生長(zhǎng),隨機(jī)排列的納米纖維在支架底層起到支撐穩(wěn)定的作用,有效模擬了由排列整齊的細(xì)胞外基質(zhì)原纖維和隨機(jī)的膠原纖維網(wǎng)組成的結(jié)締組織。通過(guò)小鼠成肌細(xì)胞的研究表明該支架具有高孔隙率和滲透性,適用于骨骼肌組織工程。Thiers等[26]通過(guò)靜電紡絲和氧化石墨烯進(jìn)一步表面改性制備了具有隨機(jī)取向和定向取向的可生物降解聚己內(nèi)酯納米纖維,并將其用作骨骼肌細(xì)胞支架。通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察細(xì)胞形態(tài),研究表明,氧化石墨烯改性聚己內(nèi)酯納米纖維支架影響細(xì)胞伸長(zhǎng),骨骼肌細(xì)胞與用氧化石墨烯修飾的生物相容性聚合物納米纖維的相互作用,可用于細(xì)胞支架和組織工程。

Perez Puyana等[27]選用聚己內(nèi)酯作為制備支架的合成聚合物,顯示了其在組織工程中的應(yīng)用潛力。研究人員選擇不同濃度的膠原和明膠作為蛋白質(zhì),與膠原支架相比,明膠支架的蛋白質(zhì)含量更高。由于蛋白質(zhì)的親水性,在初始配方中添加明膠可以增強(qiáng)支架的親水性,降低支架的纖維尺寸和力學(xué)性能,因此孔隙率較低,較低的纖維尺寸也更適合獲得更大的細(xì)胞粘附表面。根據(jù)形態(tài)學(xué)、力學(xué)和生物學(xué)評(píng)價(jià),揭示了使用生物反應(yīng)器制造離體骨骼肌組織的可能性,可促進(jìn)細(xì)胞的增殖和分化。纖維排列不影響細(xì)胞體外增殖且纖維的排列對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)和活力起著重要作用。

2.4 骨組織

骨組織是人體的主要結(jié)構(gòu)及支撐性結(jié)締組織,具有高度復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu),以礦化膠原纖維為主要構(gòu)建塊[28]。如今人們出現(xiàn)骨病骨損傷的情況比較普遍,組織工程技術(shù)結(jié)合納米技術(shù)和細(xì)胞再生功能為骨組織的修復(fù)再生提供了方法,通過(guò)靜電紡絲構(gòu)建的新型支架為外科醫(yī)生提供了新的選擇。

Shao等[29]通過(guò)靜電紡絲和傳統(tǒng)紡織方法制備了聚乳酸/柞蠶絲素蛋白的納米纖維新型支架,模擬天然板層骨中膠原纖維基質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)。當(dāng)該混合物中聚乳酸和柞蠶絲素蛋白的比例為9∶1時(shí),可以連續(xù)電紡成具有均勻直徑分布和良好拉伸強(qiáng)度的納米纖維紗線(xiàn)?；谠摶旌衔锏闹Ъ?力學(xué)性能非常優(yōu)異,楊氏模量為417.65 MPa,抗拉強(qiáng)度為180.36 MPa。由相同材料制成的非織造支架的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度分別為該編織支架的1/2和1/4。除此之外復(fù)合支架具有良好的細(xì)胞相容性、骨誘導(dǎo)性和再生活性,它不僅支持充質(zhì)干細(xì)胞的粘附和增殖,也能促進(jìn)成骨、堿性磷酸酶活性和礦化,重要的是它還能顯著促進(jìn)兔股骨髁部損傷后新骨的形成,有望廣泛應(yīng)用于骨組織工程。

El khouly等[30]將納米技術(shù)與骨組織工程相結(jié)合,以聚己內(nèi)酯和明膠為基礎(chǔ)納米纖維層制備具有增強(qiáng)生物、物理和力學(xué)性能的雙層支架。分析表明,成功形成了無(wú)珠狀的均勻纖維,并在纖維內(nèi)部摻入了納米顆粒。與復(fù)合單層支架相比,雙層支架的比表面積和總孔容均有所提高,而且增強(qiáng)了支架的性能,為骨組織工程領(lǐng)域的發(fā)展提供了潛在的途徑。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著納米技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,靜電紡絲作為一種簡(jiǎn)便有效的納米材料制備技術(shù)在組織工程等領(lǐng)域中扮演了重要角色。通過(guò)科學(xué)家和研究工作者的努力,現(xiàn)有多種可以進(jìn)行靜電紡和制備取向納米纖維的工藝和方法,但目前尚存在一些困難和問(wèn)題。靜電紡取向納米紗線(xiàn)的力學(xué)性能會(huì)因?yàn)榧徑z液濃度的增加而變差,因?yàn)樵诘蜐舛葧r(shí)出現(xiàn)的粘連現(xiàn)象會(huì)起到增大紗線(xiàn)強(qiáng)度的作用[31]。目前大多數(shù)制備納米纖維的方法仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,難以進(jìn)行大規(guī)模批量化生產(chǎn)。相信研究人員今后通過(guò)一系列的技術(shù)改進(jìn)能有效解決以上問(wèn)題,利用取向納米纖維的特性和紡織結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),豐富紗線(xiàn)類(lèi)紡織品的種類(lèi),提升傳統(tǒng)紡織品附加值和內(nèi)涵,在更多領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。靜電紡絲取向納米纖維作為一種復(fù)雜的多功能納米材料,憑借著它自身纖維整齊有序的排列結(jié)構(gòu)、良好的生物相容性促使納米纖維與細(xì)胞相互作用,有望在血管組織、神經(jīng)組織、骨組織等領(lǐng)域中取得更好的進(jìn)展,有著廣闊的應(yīng)用前景。