【摘 要】
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背景和目的静电纺丝技术获得的纳米纤维,直径在50～1000 nm之间,具有同天然人体细胞外基质相似的纤维结构,其与粗纤维相比具有较好的结构和机械性能,在生物科学与医学领域受到了广泛的关注。而传统的静电纺丝技术难以精确控制纳米纤维的排列方向,通常收集到无规排列的纤维,难以体现天然细胞外基质复杂的结构特点,限制了其在组织工程中的应用。近年来,人们越来越关注如何控制纤维的取向排列以调节细胞生命活动。研究
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背景和目的静电纺丝技术获得的纳米纤维,直径在50～1000 nm之间,具有同天然人体细胞外基质相似的纤维结构,其与粗纤维相比具有较好的结构和机械性能,在生物科学与医学领域受到了广泛的关注。而传统的静电纺丝技术难以精确控制纳米纤维的排列方向,通常收集到无规排列的纤维,难以体现天然细胞外基质复杂的结构特点,限制了其在组织工程中的应用。近年来,人们越来越关注如何控制纤维的取向排列以调节细胞生命活动。研究表明,模拟天然组织结构的纳米纤维支架能够引导细胞的定向分化和功能表达。致密骨组织中的基本结构单元——骨单位（哈佛氏系统）——由同心圆排列的哈佛氏骨板和中央血管构成,相邻骨板中的胶原纤维呈有序交错排列。采用高速旋转芯轴作为静电纺丝接收器,可以制备出取向纳米纤维,但该方法对芯轴的转速（＞2000 rpm）和直径（1～10 cm）要求较高,且只能获得单轴取向排列的纤维毡。目前,以现有的静电纺丝技术仍然无法生产出能够充分模拟骨架的精细结构的纳米纤维支架。本文中设计了一种原创性的静电纺丝接收装置,以构建模拟骨单位微观结构的仿生纳米纤维支架,用于骨组织再生修复。在静电纺丝过程中利用一对平行辅助电极来调控静电场分布,并利用小直径接收杆来收集具有可控取向的纳米纤维。该仿生支架包括:1)由平行排列的纳米纤维构成内部血管状通道;2)由交错排列的纳米纤维组成外围柱体网络基质,拟在组成和结构上模拟骨单位微观结构,为骨组织再生提供一个三维模板,依靠材料的化学性质和微纳米拓扑结构调节细胞生物学行为,进而促进成血管和成骨。材料与方法（1）本文首先对辅助电极存在下的静电纺丝电场进行电场仿真分析,然后通过改变静电纺丝实验参数,以PCL为原材料在一系列定制的小直径接收杆上制备可控交错排列的纳米纤维,并利用SEM对其进行微观形貌表征和结构形成机理的分析。进一步以PCL、n-HA和Gel为原材料,构建模拟骨单位微观结构的分层取向仿生纳米纤维支架,内层为平行取向的PCL/Gel纤维,外层为交错取向的PCL/n-HA纤维。（2）对分层取向的PCL/Gel和PCL/n-HA仿生纳米纤维支架进行微观结构、理化性能和生物学的性能表征。利用SEM对所有组的支架进行微观形貌表征,并利于FTIR及XRD对支架材料进行成分表征,随后测定其体外降解性能、力学性能、蛋白吸附、水接触角等理化性能。将HUVECs和MG63细胞分别接种至PCL/Gel支架和PCL/n-HA支架上,利用SEM观察细胞在支架表面的排列情况,通过免疫荧光观察细胞形态及相关蛋白（F-actin,VEGF和Col1）的表达,并通过q RT-PCR实验探究细胞在不同纳米纤维支架形貌上关于成血管相关标志基因（VEGF,VEGFR,v WF,CD31和Emcn）和成骨相关标志基因（Runx2,Osterix,Col1,OCN和OPN）的表达情况,进一步评价纳米纤维支架对细胞生物学性能的影响。结果（1）电场仿真结果表明,辅助电极的存在会影响静电纺过程中电场线的分布,进而引导电场中的纤维在旋转接收杆上取向排列。SEM结果显示,当辅助电极与接收杆之间的倾斜角改变时,纤维的交错取向程度也随之改变,并且低转速（～150 rpm）条件下在一系列小直径（0.1～4 mm）接收杆上均能成功获得交错形貌的纳米纤维。在构建的模拟骨单位的仿生纳米纤维支架中,PCL/Gel和PCL/n-HA纳米纤维的平均直径均小于300 nm并且可以在微观上分别实现平行取向和交错取向。FTIR和XRD结果表明在PCL/Gel和PCL/n-HA复合纤维中成功引入了明胶和n-HA成分。（2）仿生支架的理化性能实验结果表明,平行取向和交错取向的纳米纤维的力学性能均优于同样成分的无规纳米纤维,并且其降解速率能够满足骨修复过程进展慢、耗时长的要求,同时具有适宜的亲水性及蛋白吸附能力。细胞实验表明,纳米纤维支架具有良好的生物相容性,其中HUVECs沿着平行纤维走向生长铺展,在平行纳米纤维支架上HUVECs的成血管标志基因和相关蛋白表达量均显著高于其他组;MG63细胞在交错纤维上沿着纤维走向交错排列,同时其成骨标志基因和相关蛋白表达量更高。结论本研究通过原创性设计静电纺丝接收装置以控制电场分布,构建了模拟骨单位微观结构的分层取向仿生纳米纤维支架。该支架具有良好的机械性能与生物相容性,材料化学性质和仿生微纳米拓扑结构协同促进了HUVECs和MG63细胞的生长和功能表达,有望成为一种新型的骨缺损修复材料应用于再生医学。
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