组织工程学是一门将细胞生物学、材料学和工程学相结合,在体外或体内构建组织或器官的新兴学科,其目的是重建或修复创伤组织或器官。理想的组织工程支架是能够仿生天然细胞外基质、促进细胞或组织的长入、便于形成新组织、与宿主组织相匹配。静电纺纳米纤维具有较高的比表面积、高的孔隙率、提供细胞黏附的位点、有利于细胞的黏附、增殖、迁移和分化。天然细胞外基质是由胶原蛋白和糖氨聚糖交错而成的纳米纤维凝胶网络,而静电纺丝法可以制备出几十纳米到几微米的超细纤维,可以仿生天然细胞外基质的结构。本研究的目的是制备功能化的静电纺纳米纤维用于组织工程支架,主要内容分成两大部分：第一部分,研究了纳米纤维基组织工程支架与细胞或组织的相互作用。首先,选择4种表面粗糙的基质膜作为研究对象(纳米纤维膜、带有少量串珠的纳米纤维、带有大量串珠的纳米纤维以及微米颗粒),研究了人体真皮成纤维细胞在不同基质膜上的增殖行为。通过采用MTT方法研究细胞增殖以及激光共聚焦显微镜观测生长在基质膜上的细胞形态。研究结果表明,虽然纳米纤维膜的表面粗糙度小于其它三种材料,但是成纤维细胞在其上的增殖速度最快,而且细胞在其上铺展开来。由此得出结论,纳米纤维膜所具有的合适粗糙度能够提供细胞黏附和增殖所需要的接触位点,进而促进细胞的黏附和增殖。其次,从猪骨髓中成功提取了间充质干细胞,并且着重研究了PLLA纳米纤维的亲疏水性对间充质干细胞捕捉效率的不同。采用方便有效的等离子体表面处理法,在60秒钟的时间内将疏水性PLLA纳米纤维转变成亲水性纳米纤维。细胞黏附研究结果表明,亲水性的PLLA纳米纤维材料比疏水性的PLLA纳米纤维材料更能促进间充质干细胞。最后,虽然静电纺二维纳米纤维膜能够促进细胞在表面上的粘附和增殖,然而很难形成一个多层复杂的支架和细胞／组织的复合体。因此,将静电纺三维纳米纤维支架与切碎的脂肪组织混合均匀,在体外进行培养。结果发现,由于剪刀的剪切损伤,培养0天的时候,部分细胞死亡；随后培养换液过程中,损伤死掉的细胞被移出,细胞生长良好；培养1周和4周后,人造移植物中仍超过90%的细胞存活下来。因为三维支架存在着大小不等的微米级孔隙,能够为组织细胞的生长输送营养物质和氧气；相同的培养条件下,由于营养物质和氧气的缺乏,脂肪块内部的细胞绝大部分已死亡。并且研究了人造移植物内部血管的生长和扩张。在人造移植物的内部,能观察有大量的血管。通过免疫染色后,信号很强,图片色泽鲜艳；而在相同的培养条件下,脂肪块内部血管数量较少,染色后信号较弱。也许是培养1周和4周后,脂肪块内部绝大部分细胞死亡,其中也包括血管细胞的死亡,造成部分细胞的细胞膜破裂。血小板内皮细胞粘附分子-1是内皮细胞表面的蛋白,细胞膜的缺失,会影响到血小板内皮细胞粘附分子-1的染色效果,使脂肪块中血管的颜色变暗淡。基质胶的侵袭试验结果发现,人造移植物中的血管不但能够存活下来发挥自身的功能,也能够继续生长,扩张到人造移植物的外部。这将为人造移植物移植后与宿主的营养物质交换以及其功能的发挥提供了可靠的体外试验依据。第二部分,研究负载生物活性因子的纳米纤维在组织工程中的应用。组织工程支架不仅起到支撑细胞或组织的作用,还可以作为生物因子的载体为细胞的生长、增殖和分化提供必需的营养物质,或者抑制细菌等的生长。首先,采用共混和同轴电纺法成功地制备了负载盐酸四环素生物可降解嵌段共聚物PLLACL (75:25)和PLLACL (50:50)纳米纤维且纤维表面光滑无串珠。纤维的形貌和直径分布与载药量,电压,负载方式有关；并且研究了两种方法制备的纳米纤维中抗生素的缓释行为。研究结果表明,虽然从两种纤维中释放出来的盐酸四环素均能抑制大肠杆菌生长。但是,共混法制备的纳米纤维负载的盐酸四环素存在着严重的突释现象；而同轴法制备的纳米纤维负载的盐酸四环素缓慢释放且持续。其次,采用同轴静电纺丝技术,将神经生长因子负载到“皮-芯”结构的纳米纤维中。纳米纤维内层溶液的推进速度影响了纤维的表面形态结构,随着推进速度的增加,纳米纤维的平均直径逐渐增加,而纳米纤维的光滑程度则下降。牛血清白蛋白小分子的加入影响了纳米纤维膜的力学性能,使最大断裂强度略有下降,而断裂伸长率却变化不大。蛋白质分子从皮芯结构纳米纤维膜中释放行为是稳定持续进行的。释放出来的神经生长因子能够诱导PC12细胞分化,长出神经细胞特有的轴突,说明电纺丝过程没有影响神经生长因子的活性。再次,采用乳液静电纺的方法制备负载药物的纳米纤维。将双组分药物或蛋白(牛血清白蛋白和罗丹明B)负载于纳米纤维中。乳液电纺丝法制备的负载BSA和罗丹明B的纤维的直径比纯PLLACL纤维的直径小。原因是纺丝液中的BSA和罗丹明明B增加了溶液的导电性,在纺丝过程中纤维更容易被拉伸。药物或蛋白的加入对纤维膜的热力学性能没有很大影响。药物或蛋白的释放行为表明,通过改变乳液中组分的方式,可以控制调节药物从乳液静电纺丝纤维中释放的行为。为制备多种药物协同作用纳米纤维组织工程支架提供了一个新的思路。乳液静电纺丝法简单稳定,但却有一定的局限性,它要求两种活性因子中一种是亲油的,另一种是亲水的。而同轴静电纺丝法可以克服此缺点,采用同轴静电纺丝法,两种药物分子均被成功地负载到纤维中,从SEM和AFM图中得到,纤维光滑均一,表面没有任何药物结晶颗粒存在。TEM图片证实了纤维的“皮-芯”结构。XRD图谱分析,两种药物与基质材料间是物理结合,三者之间不存在化学反应。从两种药物从纤维中释放的行为来看,药物所展现的释放行为跟其的负载方式有关。如药物处在纤维的外层,它的释放是突然而快速的,若它处在纤维的内部,释放行为相反,是缓慢而稳定的。在研究中发现,药物的释放跟外部环境的温度依赖性很大,在温度高的环境下,药物的释放速度加快；温度低的环境下,药物的释放速度下降。而环境的pH值却对该释放体系的影响较小。该负载并释放多种药物的体系,拓展了传统单组分药物负载与释放的应用范围。此体系在组织工程领域和药物载体方面具有广阔的应用前景。最后,研究了不同比例的PLLACL-胶原蛋白纳米纤维的各项性能,包括纤维平均直径、亲水性、力学性能和细胞相容性等。研究结果表明,随着胶原蛋白比例的增加,复合纤维的平均直径逐渐变小,亲水性能却增强,并极大的增强了支架的生物相容性。根据以上几项基础研究结果,选择负载有DEX和BMP2的PLLACL-胶原蛋白(3：1)纳米纤维作为研究对象用于骨组织工程的活性支架。使用共混法和同轴法制备了3种负载有DEX和BMP2的复合纳米纤维(A, DEX和BMP2以共混形式负载进去；B, DEX负载在纤维的外层,BMP2负载在纤维的芯层；C, DEX和BMP2都被负载在纤维的芯层)。采用TEM和激光共聚焦显微镜研究了纤维的皮芯结构。活性因子释放结果表明,A的释放速度先快后慢；B中的DEX在起始阶段经过一个明显的突释过程之后释放速度减慢,而BMP2释放行为是持续而稳定的；C中的DEX和BMP2的释放都是以较慢速度释放。缓释168小时后,各组中的DEX和BMP2的释放速度都明显加快。表明随着材料的降解,活性因子的释放速度也同时加快。缓释结果表明,DEX和BMP2的释放是扩散释放和降解释放两种方式并存。生长在负载有药物的纳米纤维上的hMSCs的碱性磷酸酶(ALP)的活性明显提高。细胞分化后形成的钙结节以及细胞骨钙蛋白的表达都证明了释放出来的DEX和BMP2具有促进人骨髓间充质干细胞(hMSCs)分化的作用。结果表明,同轴法制备的纳米纤维的促进效应明显高于共混法制备的纳米纤维。