趙守進，劉哲鵬，付子讓，陳靈鈺

上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院(上海，200093)

0 引言

目前，靜電紡絲纖維已成為一種新型的細胞支架，通過高壓靜電在電紡絲噴頭和接收裝置之間施加電場，可以獲得尺寸從幾百納米到幾微米不等的電紡絲纖維。獲得的紡絲纖維無需進一步的處理，它的溶劑在電場作用下完全揮發(fā)。靜電紡絲技術在組織工程系統(tǒng)中有著巨大的優(yōu)勢，而且靜電紡絲操作簡單，材料選擇性廣，在傷口愈合、術后抗黏連、引導骨再生和體內(nèi)局部藥物遞送中有良好的發(fā)展前景。

組織工程領域試圖從細胞、生物分子和支架3個方面來恢復或再生受損組織和器官的功能。組織工程支架可為因疾病、損傷或先天缺陷而受損的細胞提供生長所需的三維環(huán)境。靜電紡絲的多功能性決定了其可以制備細胞支架。

1 組織工程學的作用

20世紀80年代，JOSEPH 和ROBERT教授首先提出組織工程學這一概念。從機體獲取少量的活體組織，用特殊的酶或其他方法將細胞從組織中分離出來,并在體外進行培養(yǎng)擴增，然后將擴增的細胞與具有良好生物相容性和可降解性的生物支架按一定的比例混合，使細胞黏附在生物材料支架上形成細胞-材料復合物；然后將該復合物植入機體的組織或器官病損部位，隨著生物材料在體內(nèi)逐漸降解和被吸收，植入的細胞在體內(nèi)不斷增殖并分泌細胞外基質(zhì)，最終形成相應的組織或器官，從而達到修復創(chuàng)傷的目的。在植入到病變部位后，生物材料支架所形成的三維結(jié)構(gòu)為細胞獲取營養(yǎng)、生長和代謝提供了一個良好的環(huán)境［1］。目前組織工程技術可應用于各種組織再生，如肌肉、骨骼、軟骨、肌腱、韌帶、人工血管和皮膚等；在生物人工器官的研發(fā)中也有所發(fā)展，如人工胰臟、肝臟、腎臟等；同時也可以運用于神經(jīng)假體和藥物傳輸?shù)龋?］。

常見的組織工程支架制備方式有自組裝、3D打印、靜電紡絲等。自組裝是通過分子或組分在基于非共價鍵的相互作用下自發(fā)的組織或聚集為纖維的過程。雖然自組裝方式在智能神經(jīng)納米支架方面取得了許多進展，但是其產(chǎn)生的不良反應較多，而且其形貌外觀可控性較差［3］。3D打印是一種簡單的材料工程方法，設計多樣化，能夠精準的復制設計結(jié)構(gòu)，但是對材料要求較高，部分材料無法使用該方法，且微納米級的3D打印設備價格高昂［4］。而與其他幾種方法相比，靜電紡絲可以制備出均勻連續(xù)的微米或納米纖維，且制備方法簡單，纖維尺寸可控，對于材料的要求不高，是一種良好的支架制備方式。

2 靜電紡絲技術

靜電紡絲技術最早出現(xiàn)于19世紀科學家FOLMHALS申報的一系列專利中，以乙酸纖維素為研究對象，詳細闡述了溶液的性質(zhì)對收集板上帶電纖維的影響。由于基礎知識的匱乏，該技術的研究進展十分緩慢。19世紀70年代，Taylor通過對電紡射流過程的研究發(fā)現(xiàn)，只有當紡絲頭形成的錐體錐角為49.3°時，紡絲才能穩(wěn)定噴出，并命名為“泰勒錐”。Simons發(fā)現(xiàn)紡絲纖維直徑與溶液的濃度有較大關系，Baumgarten制備了丙烯酸樹脂纖維，并考察了纖維直徑與溶液黏度、溶液進料速度、環(huán)境之間的關系。2000年靜電紡絲技術的研究進度得到空前的提升，Reneker小組利用該技術制備了20多種聚合物紡絲，其直徑最低為40 nm，并且通過對靜電紡絲機理的研究，提出了彎曲不穩(wěn)定機理。

2.1 靜電紡絲原理

靜電紡絲技術是指聚合物在熔融或者溶解的狀態(tài)下，通過高壓靜電場的作用，最終形成纖維的過程。當電場施加在紡絲針頭時，高分子的表面在高壓下產(chǎn)生大量靜電電荷，紡絲頭尖端的液滴在靜電力的作用下克服其表面張力，形成泰勒錐。當電場繼續(xù)增大到其臨界值時，流體表面受到的靜電力大于其表面張力，帶電的液滴會從泰勒錐的頂端噴射出去，形成帶電的直線射流［5］。這個臨界值被稱為臨界電壓，即形成射流的臨界電壓。由于外加電場的干擾，噴射出的直線射流會經(jīng)過一個突然加速的過程。在此過程中紡絲液中的溶媒揮發(fā)或者熔融狀態(tài)的高聚物冷卻固化，最終形成了高分子纖維，纖維經(jīng)過高度拉伸而發(fā)生細化，最后被接地的接收器收集。

2.2 影響靜電紡絲纖維的因素

靜電紡絲制備過程受到多方面因素的影響。①聚合物自身的性質(zhì)：聚合物的分子量、溶液或熔融體的導電能力、溶液的黏度及表面張力等［6］；②實驗參數(shù)：電場強度、溶液流速、紡絲頭的直徑和材質(zhì)、纖維的接收距離、接收裝置的材質(zhì)等［7］；③環(huán)境參數(shù)：環(huán)境溫度、濕度、空氣流速等［8］，這些因素相互交織共同影響紡絲過程，進而對紡絲的形貌和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

3 靜電紡絲在組織工程學中的發(fā)展

3.1 皮膚組織工程學

最初研究人員研究纖維結(jié)構(gòu)對皮膚組織再生的影響。Choi等［4］考察了紡絲排列順序?qū)Υ笫笊掀ぜ毎脑偕挠绊?，結(jié)果表明，隨著紡絲有序化的增加，肌動蛋白的生長更加迅速。體內(nèi)研究表明，與隨機電紡纖維對照組相比，定向排列的電紡纖維加速了傷口愈合和膠原纖維排列、血管化和再上皮化。材料的選擇對皮膚再生也十分重要，與原始材料相比，殼聚糖與膠原蛋白或絲素蛋白混合能夠更好地誘導細胞增殖和促進傷口愈合［9］。Ma等［10］將川芎嗪加入絲素蛋白電紡支架中，發(fā)現(xiàn)其具有促進傷口止血、抗炎的作用。為了改善電紡生物材料的機械性能，Tian等［11］將生物活性玻璃加入到電紡魚膠原蛋白納米纖維中。比純魚膠原蛋白納米纖維具有更高的拉伸強度和抗金黃色葡萄球菌，能促進了人皮膚成纖維細胞的黏附和增殖。Xian等［12］制備了具有廣譜抗菌活性的5種季銨鹽殼聚糖電紡支架，具有良好的生物相容性，能止血、促進傷口愈合。

3.2 血管組織工程學

心血管疾病造成每年的死亡人數(shù)一直居高不下，血管移植是現(xiàn)在治療血管疾病的常用方法，而臨床上血管移植物往往供不應求。在這一前提下，許多組織工程師正在開發(fā)電紡可吸收的小直徑血管移植物引導血管再生。一些研究小組在使用肝素和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)來減少血栓形成和改善內(nèi)皮化并取得了顯著成就。Huang等［13］采用同軸靜電紡絲法制備了含肝素的聚乳酸-己內(nèi)酯支架。當支架植入狗的股動脈時，肝素充當抗凝劑，用以改善血管通暢性。內(nèi)皮祖細胞稱為成血管細胞,在生理或病理因素刺激下,可從骨髓到外周血管參與損傷血管的修復。為了促進內(nèi)皮祖細胞的增殖，Li等［14］通過乳液靜電紡絲將VEGF包被到含肝素的支架中。并控釋肝素和VEGF，該支架具有良好的抗凝血和促進內(nèi)皮祖細胞增殖的作用。

為了進一步提高血管移植物的生物相容性，可以在電紡支架中加入天然聚合物。Yin等［15］將膠原和殼聚糖與P(LLA-CL)共混，并與P(LLACL)紡絲比較，發(fā)現(xiàn)膠原和殼聚糖組顯著的促進了內(nèi)皮細胞增殖，表明支架的生物相容性得到改善。Kuang等［16］通過同軸靜電紡絲制備了雙層血管移植物，其中內(nèi)層含有肝素，外殼含有負載介孔二氧化硅納米顆粒(mesoporous silica nanoparticles，MSN)的丹酚酸B(salvianolicacids B，SAB)。肝素和SAB可持續(xù)釋放近30 d，它們協(xié)同促進人臍靜脈內(nèi)皮細胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVEC)生長。Zhao等［17］通過相分離和冷凍干燥的方法制備聚乳酸-己內(nèi)酯[poly(DL-lactide-ε-caprolactone)]，PLCL 單層支架、雙層支架和三層圓柱形支架。經(jīng)過1周細胞培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，PLCL多層支架上的細胞增殖更加明顯。這項研究表明多層支架具有潛在的血管組織工程應用前景。

3.3 神經(jīng)組織工程學

神經(jīng)損傷是一種全球普遍性疾病，影響著全世界數(shù)百萬人，這種疾病可能會使人們患有認知運動或精神上的永久殘疾，加重人們的生活負擔，降低生活質(zhì)量。近些年，人們通過電紡絲制備神經(jīng)支架。由于材料的變化，紡絲神經(jīng)支架已從簡單的中空管演變成更復雜的結(jié)構(gòu)，它被稱為神經(jīng)導管 (nerveguide conduit，NGC)［18］。簡單的空心NGC為再生神經(jīng)提供了生長的管腔，同時限制了周圍組織的生長。選擇正確的材料十分重要，它會影響神經(jīng)再生的潛力。絲素蛋白已被證明具有生物相容性并能促進細胞增殖［19］。Xue等［20］通過靜電紡絲法制備了絲素蛋白纖維支架作為神經(jīng)導管進行手術移植，用于治療大鼠周圍神經(jīng)損傷。手術12個月后，絕大多數(shù)導管降解并被具有神經(jīng)樣外觀的組織取代，通過Walkway?步態(tài)分析系統(tǒng)獲得對稱和步行步態(tài)參數(shù)，用于綜合評估狗的后肢運動功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與非移植組相比，移植組表現(xiàn)出更好的站立穩(wěn)定性和運動機能，而移植組內(nèi)部對比并沒有顯著性差異。這足以表明SF-支架促使受傷后肢的行為恢復幾乎等同于自體移植物。

除了簡單的神經(jīng)支架能夠誘導神經(jīng)再生之外，神經(jīng)生長因子(nerve growth factor，NGF)也能夠促進中樞神經(jīng)元和外周神經(jīng)元的發(fā)育、生長、分化和成熟。NGF在維持正常神經(jīng)功能、加速神經(jīng)系統(tǒng)損傷修復等方面發(fā)揮重要作用。因此，Kui等［21］通過同軸靜電紡絲將NGF摻入電紡纖維中以促進神經(jīng)再生。在這項研究中，NGF從電紡支架中緩慢釋放，并且能夠保持活性超過60 d，這對其長期釋放控制神經(jīng)再生有著重要的意義。此外，與對照組相比，含有NGF的支架經(jīng)過12周的體內(nèi)釋放，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含NGF的神經(jīng)支架有效地促進了神經(jīng)再生。Wang等［22］研究了NGF在PLGA殼層纖維中的應用，將所得定向收集的紡絲支架包裹在不銹鋼棒上，并用尼龍絲密封形成NGC。將所得NGC移植在大鼠13 mm坐骨神經(jīng)缺損處，修復12周之后，支架促進了神經(jīng)再生，通過電生理學和肌肉重量測試顯示，與未含有NGF生長因子的對照組相比，再生神經(jīng)的功能恢復有明顯的改善。這些研究表明，NGF在促進受損周圍神經(jīng)修復中起重要作用。

3.4 骨組織工程學

世界上由于骨感染引起的骨缺損發(fā)生率很高，因此對骨移植有巨大的臨床需求［23］。自身骨移植被認為是修復骨缺損的最好方法，因為它具有顯著的骨誘導和骨傳導能力，且沒有不良免疫反應。然而，自身骨和同種異體骨的臨床應用都有很多的限制。因此，使用組織工程學來再生骨是一種很有前途的方法。骨組織工程支架應具有生物相容性、生物可降解性、生物活性以及對骨環(huán)境具有足夠的力學性能。為了滿足這些要求，以有機和無機雜化納米纖維等復合材料為基礎，負載了骨形態(tài)發(fā)生蛋白、轉(zhuǎn)化生長因子-β3(Transforming growth factor-β3，TGF-β3)、血管內(nèi)皮生長因子和銀納米顆粒等功能因子的納米纖維支架成為當前的研究熱點［24］。Ye等［25］將纖維支架切碎成小段，通過冷凍干燥、熱交聯(lián)等方法，形成三維類骨支架，并制成含有骨的主要礦物成分（納米羥基磷灰石）的復合支架。然后將合成的骨形態(tài)發(fā)生蛋白 -2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）衍生多肽固定在表面，并在大鼠顱骨缺損模型中對支架進行體外和體內(nèi)評估。實驗結(jié)果表明，納米羥基磷灰石和BMP-2的存在增加了干細胞成骨分化相關基因的表達，BMP-2肽的釋放可維持21 d。與對照組相比，支架能夠更好誘導骨分化。

在試圖調(diào)節(jié)骨重建過程中，Yi等［26］設計了一種電紡支架，支架包被MSNs和阿侖膦酸鈉，前者可加速骨形成，后者可抑制骨吸收。該支架可將骨愈合時間從12周縮短到4周。隨著愈合持續(xù)到12周，該支架的骨成熟度評分幾乎是沒有MSNs和阿侖膦酸鈉的對照組支架的2倍，并且骨血管化程度明顯增加。這些結(jié)果表明，負載MSNs和阿侖膦酸鈉的電紡納米纖維支架調(diào)節(jié)了骨重建過程，并促進了血管形成，這為骨再生提供了充足的營養(yǎng)。

為了促進細胞黏附，Gutiérrez-Sanchez 等［27］采用靜電紡絲法制備了含有淀粉的聚乳酸(polylactic acid，PLA)納米纖維，并將精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(arginine-glycine-aspatic acid，RGD)肽吸附到表面。與對照組相比，RGD修飾的支架具有更好的細胞黏附性，顯示出引導骨再生的潛力。

3.5 軟骨組織工程學

軟骨損傷一直是困擾著人們的大問題。運動創(chuàng)傷和人體衰老都會對關節(jié)軟骨造成損傷，這些創(chuàng)傷會導致骨關節(jié)炎和關節(jié)疼痛等疾病。雖然自身移植可用于治療輕微的損傷，但用于移植的軟骨是有限的，而且自體軟骨移植在治療嚴重的軟骨缺損時效果不佳。因此，使用電紡支架的組織工程方法是治療輕微和嚴重軟骨缺損以減少骨關節(jié)炎的一種很好的方案［28］。

為了研究PVA/CMC復合材料對支架網(wǎng)內(nèi)孔隙形成和軟骨組織發(fā)育的影響。Namkaew等［29］將聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)與羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose，CMC)復合，形成用于制備多孔支架的共聚物溶液。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在聚合物溶液中加入羧甲基纖維素可以調(diào)節(jié)支架的結(jié)構(gòu)和溶脹能力。細胞接種后14 d，軟骨細胞活性良好。表明PVA/CMC多孔支架可用于軟骨組織修復，是一種具有潛力的支架。

除了關節(jié)軟骨，其他用于治療先天性缺陷、創(chuàng)傷或疾病的透明軟骨再生的紡絲支架也正在研究當中。由于耳朵和鼻子透明軟骨的獨特形態(tài)，可以將靜電紡絲與3D打印相結(jié)合，構(gòu)建有利于透明軟骨再生的支架形狀。Chen等［30］開發(fā)了一種用于3D打印的墨水，該墨水由透明質(zhì)酸和聚氧化乙烯(polyethylene oxidized，PEO)溶液和切碎的靜電紡絲膜組成，靜電紡絲包含PLGA/明膠。該支架可在30 s內(nèi)快速恢復形狀，可用于體內(nèi)復雜軟骨結(jié)構(gòu)的再生。

4 展望

電紡為組織工程支架的制備提供了一個簡單可靠的方法。目前，隨著組織工程支架的發(fā)展，靜電紡絲工藝也發(fā)生了許多新變化，衍生出同軸電紡絲、乳液電紡絲和動態(tài)液體電紡絲，而且可以將生物活性物質(zhì)和信號分子包裹在紡絲內(nèi)。此外，電紡可以與其他研究工藝相結(jié)合，如冷凍和3D打印，以創(chuàng)建具有復雜3D特征的納米纖維支架。

各種各樣的天然聚合物、合成聚合物和它們的混合物已經(jīng)被用來制造電紡支架，并用于皮膚、骨、軟骨、神經(jīng)、血管等組織工程當中。已有數(shù)種電紡纖維支架商業(yè)化生產(chǎn)，用于治療各種疾病。例如，廣州美普林再生醫(yī)療技術有限公司開發(fā)了PLA納米纖維藥物產(chǎn)品，用于人體硬腦膜的再生，已在多年前就通過了歐洲CE和中國食品藥品監(jiān)督管理局（CFDA)認證。上海松利生物科技有限公司開發(fā)了用于治療疝氣的纖維蛋白原/PLCL納米纖維疝貼產(chǎn)品，于2018年獲得CFDA證書。山東漢方藥業(yè)有限公司開發(fā)了一種用于傷口敷料的絲素/PLCL納米纖維膜，也于2019年獲得了CFDA證書。此外，仍有許多生物醫(yī)學公司正在開發(fā)其他生物醫(yī)學應用的纖維支架，在不久的將來，會有更多商業(yè)化的納米纖維醫(yī)療產(chǎn)品面市，電紡和電紡納米纖維支架的進一步發(fā)展為各種組織工程應用帶來了希望，并可能改善世界各地患者的生活質(zhì)量。

靜電紡絲在未來的組織工程學中能夠廣泛地應用，其將來發(fā)展的重點有：①紡絲材料：高聚物種類繁多，通過對不同材料組合或者對材料進行功能化，可以獲得更好性能的電紡材料。②紡絲產(chǎn)量：紡絲產(chǎn)量較低是一問題，完善靜電紡絲各種參數(shù)，可以進行多通道電紡提高紡絲產(chǎn)量。