應(yīng)用于組織工程支架制備的電紡技術(shù)

李好義，劉勇，何雪濤，丁玉梅，閻華，謝鵬程，楊衛(wèi)民

北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029

應(yīng)用于組織工程支架制備的電紡技術(shù)

李好義，劉勇，何雪濤，丁玉梅，閻華，謝鵬程，楊衛(wèi)民

北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029

組織工程技術(shù)為修復(fù)病損的組織和器官提供了一種新的途徑，在組織工程中，細(xì)胞支架起著支撐細(xì)胞生長(zhǎng)、引導(dǎo)組織再生、控制組織結(jié)構(gòu)和釋放活性因子等作用。針對(duì)電紡技術(shù)的新發(fā)展和細(xì)胞支架的新理念，綜述了國(guó)內(nèi)外利用電紡技術(shù)制備細(xì)胞支架的工藝條件、制備方法、組織細(xì)胞培養(yǎng)等方面的研究進(jìn)展，并結(jié)合作者所在研究團(tuán)隊(duì)的研究工作提出了對(duì)未來(lái)電紡技術(shù)在組織工程中應(yīng)用的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向的認(rèn)識(shí)。

組織工程，電紡技術(shù)，細(xì)胞支架

細(xì)胞支架必須具備以下特征：1) 支架和組織有很好的相容性，能創(chuàng)造良好的擬細(xì)胞外基質(zhì)(ECM) 環(huán)境；2) 支架材料具有可降解性，且降解產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞 pH值的影響和毒性在最小范圍內(nèi)，同時(shí)支架的降解速度可控，能和細(xì)胞的增殖過(guò)程相一致；3) 針對(duì)不同組織要求，保證具備相應(yīng)的力學(xué)性能；4) 優(yōu)化的支架形態(tài)和微納拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及優(yōu)化的孔隙率、支架孔徑、纖維直徑、纖維取向、三維形態(tài)等將為細(xì)胞提供有利的生長(zhǎng)條件；5) 具有暫存和緩慢釋放生物活性物質(zhì)的能力。

目前用于組織工程支架的傳統(tǒng)制備方法包括氣體泡沫法、相分離法、冷凍干燥法、纖維黏結(jié)、溶劑澆鑄/粒子瀝濾、乳化/凍干等，這些方法雖然一次成型簡(jiǎn)便，但缺點(diǎn)在于孔隙率小、強(qiáng)度差、支架參數(shù) (孔隙率、孔尺寸、空間取向等)的可控性差[2-4]。新的制備方法也在大量涌現(xiàn)，比如采用飛秒激光加工熱塑性聚酯材料，成功制備出了血管支架[5]，但是其成本高、效率低；快速成形技術(shù)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了組織工程支架內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)與復(fù)雜外形的精確控制[6]，但所制備的支架孔隙率偏低，通常小于80%[7]。

電紡是一種高效低耗的納米纖維制備技術(shù)，其原理是在裝有聚合物溶液或熔體的腔體噴頭和接收裝置之間施加幾千到幾萬(wàn)伏的高壓靜電，使溶液或熔體在高壓靜電場(chǎng)作用下產(chǎn)生與表面張力相反的電場(chǎng)力，驅(qū)使溶液或熔體在毛細(xì)管末端拉伸成一個(gè)泰勒錐，當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，聚合物液滴可克服表面張力形成噴射細(xì)流[8]。電紡最大的特點(diǎn)是可以制備具有高孔隙率、高比表面積的納米纖維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其參數(shù)的靈活可控為細(xì)胞支架的制備提供了充分發(fā)揮的空間。

電紡分為溶液電紡法和熔體電紡法。溶液電紡法是利用高分子溶液進(jìn)行靜電紡絲的方法，由于多種細(xì)胞支架材料可以較好地分散到相應(yīng)溶劑中，濃度的控制較易，因此，電紡在組織工程支架方面的應(yīng)用比較普遍。熔體電紡中加熱溫度不易實(shí)現(xiàn)精確控制，熔體粘度大，研究相對(duì)較少，但其特點(diǎn)是不使用溶劑，省去了諸多工藝，避免了殘留溶劑的毒性，在組織工程中有很大的應(yīng)用前景[9]。

1 針對(duì)支架特性進(jìn)行電紡所需的工藝條件

1.1 針對(duì)支架特性調(diào)控纖維結(jié)構(gòu)、形貌和性能

目前可以進(jìn)行電紡的組織工程支架材料分為天然生物材料和人工合成材料，其中天然生物材料主要為膠原蛋白 (Collagen)[10]、明膠(Gelatine)[11]、蠶絲 (Nature Silk)、蜘蛛絲 (Spider Silk)[12-13]、幾丁質(zhì) (Chitin) 及其衍生物、纖維蛋白 (Fibrin)[14]等；合成材料主要是一些生物可降解材料如聚乳酸 (PLA)[15]、聚乙醇酸 (PGA)、聚乳酸-羥乙酸、聚己內(nèi)酯 (PCL)[16]以及可作為血管支架的聚氨酯 (PU) 等。常用溶劑主要是鹽溶液、氯仿 (Chloroform)、乙醇、六氟異丙烯(HFIP)、六氟丙烷 (HFP)、四氫呋喃 (THF)、二氯甲烷 (DCM) 等。為了增加纖維的韌性、強(qiáng)度，研究者利用了一些復(fù)合材料或共聚物進(jìn)行電紡，取得了很好的效果：Moroni等[17]利用聚對(duì)苯二甲酸丁二醇脂和聚環(huán)氧乙烷 (PEOT/PBT) 的混合溶液電紡的納米纖維用于人間葉干細(xì)胞的培養(yǎng)，效果顯著；Zong等[18]利用聚丙交酯 (PLLA)和聚乙交酯 (Poly (glycolic acid)) 的共聚物聚丙交酯乙交酯 (PLGA) 電紡獲得支架，并對(duì)其進(jìn)行拉伸取向，用于心臟組織工程的研究。

1.2 支架纖維直徑的控制

在組織工程中，不同組織的功能和細(xì)胞大小不同，所對(duì)應(yīng)的最佳支架纖維直徑也不同，因此，利用合理的紡絲工藝獲得不同纖維直徑的細(xì)胞支架成為必然。電紡中紡絲溶液的粘度對(duì)紡絲直徑起著至關(guān)重要的作用，溶液的粘度一般取決于聚合物分子量和其配比濃度；熔體電紡的纖度主要取決于熔體的表觀粘度，作者所在的研究小組針對(duì)不同的材料其熔體粘度對(duì)溫度和剪切的敏感性不同，通過(guò)對(duì)不同材料熔融溫度和剪切作用的精確控制可以獲得目標(biāo)直徑的纖維[19]。一般情況下，溶液或熔體粘度越高，獲得的纖維直徑越大；溶液或熔體的流動(dòng)速率越大，獲得的纖維直徑就越大，但是當(dāng)流動(dòng)速率超過(guò)一定值，紡絲將無(wú)法進(jìn)行；電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)纖維直徑的影響也不可忽視，在一定范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，獲得的纖維越細(xì)，但是當(dāng)超過(guò)臨界值時(shí)纖維甚至?xí)兇諿20]。紡絲針頭的孔徑也對(duì)纖維直徑有一定影響，對(duì)于一般的溶液紡絲，針頭孔徑越大，制備的纖維直徑越小，直徑分布越趨于一致[17]。

1.3 支架孔隙率及孔徑的控制

組織工程支架的孔隙率和孔徑是非常重要的參數(shù)，對(duì)于細(xì)胞的生長(zhǎng)、養(yǎng)分的吸收、代謝排出以及信息的傳導(dǎo)具有重要意義[8]。電紡技術(shù)一般可以提供孔隙率90%左右的支架，孔徑一般小于100 μm[21]，這樣的孔徑可能不利于較大的細(xì)胞的生長(zhǎng)和滲透，因此可以結(jié)合其他的纖維制備工藝制備復(fù)合支架。對(duì)于一般的溶液電紡，其孔隙率和孔徑取決于其纖維直徑，隨著直徑的增加，孔隙率和孔徑也相應(yīng)增加，但是纖維比強(qiáng)度相應(yīng)降低[22]。但是也有研究表明，這種影響并不明顯[23]。電紡在獲得任意強(qiáng)度、孔隙率和適度孔徑的纖維支架方面的靈活性是不可否認(rèn)的，但還需要大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步明確和細(xì)化其工藝。

1.4 支架纖維表面微孔的控制

溶液電紡由于溶劑的揮發(fā)一般會(huì)在纖維表面形成納米級(jí)微孔。同樣直徑的電紡納米纖維，具有表面納米微孔結(jié)構(gòu)的纖維具有更高的細(xì)胞活力，細(xì)胞不再聚集生長(zhǎng)，取而代之的是分散的細(xì)胞，微孔也激發(fā)了不同的生物反饋，制備過(guò)程中溶劑的沸點(diǎn)以及聚合物溶液濃度及氣隙都將對(duì)微孔孔徑的存在及其大小產(chǎn)生影響[17]。

1.5 支架物理性能的控制

組織支架的物理性能對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)具有關(guān)鍵作用，比如肌腱組織支架需要一定的力學(xué)拉伸性能，而人工血管則要求具有與宿主血管相近的強(qiáng)度，同時(shí)，還要求細(xì)胞支架具有一定的時(shí)間穩(wěn)定性，即隨著支架的降解，其機(jī)械支撐性能必須滿足一定的要求，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的機(jī)械性能變化要求。

目前電紡絲主要通過(guò)5個(gè)方面的改進(jìn)來(lái)逐漸滿足支架在機(jī)械性能方面的要求：

1) 支架材料的改進(jìn)：從單一的高分子向化學(xué)性能、物理性能及生物性能俱佳的共混體系和共聚物發(fā)展，比如PLA是難結(jié)晶易碎材料，而PCL是半結(jié)晶材料，有彈性，它們的共聚物具有一定的機(jī)械性能，根據(jù)不同的復(fù)合比例，可以得到不同程度的機(jī)械性能；PGA只溶解于高氟代有機(jī)溶劑如FHIP等，由于單純的PGA機(jī)械強(qiáng)度較差，而且脆性大，難于加工，因此人們常通過(guò)共聚得到PLGA以改善材料的機(jī)械性能和降解性能，如今這類材料已經(jīng)在軟骨、骨、神經(jīng)組織工程以及人工肝、人工膀胱等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[24]。

2) 電紡條件的精確控制如溶劑的選擇、溶液濃度、熔體電紡的熔融溫度、加熱時(shí)間、電極間距、針頭內(nèi)徑等。

3) 對(duì)支架的后處理可以有效地提高機(jī)械強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)，紡絲過(guò)程中的纖維取向?qū)?qiáng)度影響很大，因此，在紡絲過(guò)程中，利用不同的纖維取向方法提高纖維強(qiáng)度，是簡(jiǎn)單易行和廣泛使用的方法[18]，還有些研究者利用乙醇溶液對(duì)纖維進(jìn)行后處理，增加了纖維的強(qiáng)度。

4) 電紡絲結(jié)合其他微米級(jí)纖維制備方法，制備多層復(fù)合支架，利用粗纖維支架作為主要支撐結(jié)構(gòu)，電紡支架作為功能支架。

5) 利用同軸電紡技術(shù)，將力學(xué)性能差的材料或不易電紡的材料作為芯材，力學(xué)性能好的作為殼材，通過(guò)降解速度的控制，使得核殼結(jié)構(gòu)發(fā)揮功能。

2 電紡纖維細(xì)胞支架用于組織細(xì)胞培養(yǎng)的研究

2.1 電紡纖維細(xì)胞支架用于軟骨及骨組織工程

軟骨及骨組織其特殊的組織結(jié)構(gòu)、生物學(xué)和生物力學(xué)特點(diǎn)決定了軟骨及骨修復(fù)的復(fù)雜性。支架一直是該組織工程的研究重點(diǎn)，美國(guó)塔夫斯大學(xué)的 Li等[25]利用絲素蛋白、骨形態(tài)發(fā)生蛋白、羥磷灰石納米顆粒制備了纖維支架，利用人骨骨髓間葉干細(xì)胞通過(guò)31 d的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白的后處理有助于更多鈣的沉積并促進(jìn)了骨細(xì)胞遺傳物質(zhì)中特異性標(biāo)記物的轉(zhuǎn)錄水平，羥磷灰石納米顆粒的加入促進(jìn)了骨的形成。瑞典的Thorvaldsson等[26]通過(guò)電紡的方法將聚己內(nèi)酯的納米纖維纏繞到了聚乳酸微米纖維上，獲得了孔隙率達(dá)95%以上的支架，研究了可控的孔隙率對(duì)細(xì)胞浸潤(rùn)的作用，研究顯示支架空隙率對(duì)細(xì)胞浸潤(rùn)具有很大的影響，孔隙率越大，浸潤(rùn)效果越好，進(jìn)一步證明了該制備方法的優(yōu)勢(shì)。Lee[27]的博士論文研究了兩種復(fù)合電紡絲材料的性能，用于醫(yī)治關(guān)節(jié)炎癥患者，一種是含有鹽孔的燒結(jié)電紡纖維，該支架降低了電紡材料的機(jī)械性能，同時(shí)改善了細(xì)胞向支架內(nèi)部滲透的能力；另外在支架中加入了熱固的水凝膠來(lái)復(fù)制關(guān)節(jié)軟骨蛋白聚糖的表達(dá)功能。

2.2 電紡纖維細(xì)胞支架用于血管組織培養(yǎng)

血管的手術(shù)替代和心臟搭橋手術(shù)在心血管疾病的治療中具有重要地位，目前聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或者膨體聚四氟乙烯的合成血管廣泛用于大直徑的血管嫁接，但是小于6 mm的血管的移植一直以來(lái)由于其易堵、易成栓、易內(nèi)膜增生等原因，成為一個(gè)較復(fù)雜的難題。北卡羅萊納州大學(xué)的 Chung等[28]集成了熔融紡絲和靜電紡絲方法利用PCLA共聚體制備了直徑為5 mm，孔隙率大于75%的血管組織支架，該支架生物可吸收且具有彈性，經(jīng)測(cè)定該支架機(jī)械性能超過(guò)了天然動(dòng)脈的橫向拉伸值，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞培養(yǎng)初期，細(xì)胞增殖較慢，后期隨著時(shí)間增值速度增加 (圖1)，利用兩種方法制備的雙層管狀結(jié)構(gòu)，其包括超細(xì)的電紡纖維和粗的熔融紡制纖維，該結(jié)構(gòu)模擬了真正的血管結(jié)構(gòu)，有利于差異性內(nèi)層和平滑肌肉組織層的形成。

圖1 細(xì)胞在PLCL支架上培養(yǎng)7 d后細(xì)胞粘連的電鏡圖[28]Fig. 1 SEM photomicrographs of cell attachment on PLCL scaffolds after 7 days of culture[28].

2.3 電紡纖維細(xì)胞支架用于神經(jīng)組織培養(yǎng)

早老性癡呆癥和帕金森綜合癥作為典型的神經(jīng)變性病，通常是由不溶性絲狀纖維的堆積、聚集所引起的早期軸突功能紊亂和病變所致。電紡網(wǎng)格已經(jīng)成為最有希望應(yīng)用于神經(jīng)纖維的修復(fù)材料，只要選擇合適的神經(jīng)細(xì)胞類型，獲得適當(dāng)?shù)娜S結(jié)構(gòu)就可以完全恢復(fù)神經(jīng)功能[29]。目前主要研究?jī)?nèi)容包括：各種纖維取向和纖維尺寸對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的影響，Yang等通過(guò)和微米尺寸纖維相比，證實(shí)了納米尺寸的PLLA能增強(qiáng)新生鼠小腦 C17.2干細(xì)胞的增殖[30]；將一些化學(xué)物質(zhì)加入纖維用來(lái)改善細(xì)胞功能，如使用乙二胺處理的 PCL電紡纖維增加了其親水性，這樣促進(jìn)了細(xì)胞粘連，但不影響小鼠腦神經(jīng)干細(xì)胞[31]；增加電紡支架的電活性來(lái)改善纖維取向、增強(qiáng)細(xì)胞功能，如在PLGA網(wǎng)格中涂覆一層聚吡咯提供電刺激來(lái)促進(jìn)和引導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞軸突的延展。

2.4 電紡纖維細(xì)胞支架用于心臟組織的構(gòu)建研究

紐約州立大學(xué)的Zong等[18]利用電紡支架用于心臟組織結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)研究，通過(guò)電紡制備了生物可降解的PLGA膜，通過(guò)后處理使纖維呈現(xiàn)各向異性，使用含有不同含量聚乙交脂的亞微米纖維對(duì)原發(fā)性心肌細(xì)胞培養(yǎng)了類心臟組織結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)纖維微納表面的化學(xué)和幾何設(shè)計(jì)獲得預(yù)設(shè)的心臟組織和功能，發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞沿著纖維取向方向生長(zhǎng)的特性 (圖2)，在快速降解及親水性纖維上細(xì)胞密度較低。

圖2 PLLA預(yù)設(shè)取向纖維上心肌細(xì)胞激光掃描共聚焦顯微鏡圖[18]Fig. 2 CLSM images of cardiac myocytes on predefned oriented fbers of PLLA. Arrows indicate matrix fber direction[18].

3 電紡用于細(xì)胞支架制備的新思維

3.1 共混電紡或共聚物電紡

共混紡絲是一種有效改善電紡纖維性能的方法，不同的材料由于生物相容性、降解速度、機(jī)械強(qiáng)度、可紡性等方面的差異，一種材料已無(wú)法滿足組織支架的要求，因此，各種支架制備材料的共混組合相繼被開發(fā)了出來(lái)。例如聚乙烯吡咯烷酮 (Polyvinyl pyrrolidone，PVP) 在空氣中極易吸濕，所制纖維不能長(zhǎng)時(shí)間存放，尤其當(dāng)所紡纖維為納米級(jí)時(shí)，更不容易保存，但通過(guò)將PVP與聚環(huán)氧乙烷 (PEO)、共聚維酮S~630及聚偏二氟乙烯 (PVDF) 進(jìn)行共混電紡，降低 PVP納米纖維的吸濕性[26]；鮑韡韡等[23]將絲素和明膠以不同質(zhì)量比共混于甲酸溶劑，電紡制得了在絲素與明膠質(zhì)量比為 70∶30下的平均直徑為83.9 nm的納米纖維，不僅有利于克服低質(zhì)量分?jǐn)?shù)絲素紡絲溶液電紡中出現(xiàn)的珠狀物和斷頭多等問(wèn)題，而且有望應(yīng)用于生物組織工程中。但是很多情況下兩種材料的相容性差，找不到共溶劑[32]，所以溶液共混電紡只適用于少數(shù)幾種高聚物，因此有人提出利用熔體電紡克服這一問(wèn)題[9]。針對(duì)溶液共混電紡所存在的缺點(diǎn)，本研究組發(fā)明了一種熔體靜電紡絲生產(chǎn)復(fù)合纖維的裝置，該裝置可以同時(shí)對(duì)兩種或多種聚合物進(jìn)行熔體紡絲，以制得并列型或皮芯型等類型的復(fù)合纖維[35]。

3.2 同軸電紡技術(shù)

傳統(tǒng)的復(fù)合纖維由于兩種材料很少能同時(shí)溶解于同一溶劑，而同軸電紡技術(shù)則解決了這一問(wèn)題，它不但可以滿足不同材料的混合電紡，同時(shí)其獨(dú)特的芯-殼結(jié)構(gòu)為支架提供了更好的機(jī)械性能和生長(zhǎng)環(huán)境，一方面其芯材料可以隨著殼材料的降解而逐漸釋放，同時(shí)也可以用于藥物釋控的應(yīng)用。這種方法非常適用于天然材料和合成材料的復(fù)合紡絲，一般外噴頭中的紡絲液為天然材料，內(nèi)噴頭中的紡絲液為合成材料，制備出來(lái)的纖維為同時(shí)具備良好的生物黏附性和較好的物理機(jī)械性能的芯-殼結(jié)構(gòu)的納米纖維。

黎雁在其博士論文[36]中提到用此裝置將模型蛋白BSA和溶菌酶分別混入聚乙二醇 (PEG)水溶液中作為內(nèi)層紡絲液，PCL溶于二甲基甲酰胺和氯仿的混合溶劑作為外層紡絲液，得到了具有芯-殼結(jié)構(gòu)的納米纖維膜，這種包埋方法有效避免藥物的突然釋放引起的細(xì)胞失活，使水溶性蛋白質(zhì)以穩(wěn)定的速度持續(xù)釋放。McCann[37]則報(bào)道了用同軸熔體電紡制備微膠囊和相變納米纖維的方法，所用裝置如圖3所示，在塑料注射器末端的金屬針頭內(nèi)插入聚合物涂敷的硅毛細(xì)管，這樣，熔點(diǎn)在室溫左右的含16~20個(gè)碳的烷烴就可以與溶劑 (殼層PVP/TiO2：) 一起從同軸噴絲頭中噴出，在紡絲過(guò)程中，噴射物的冷卻主要依賴溶劑的蒸發(fā)而使里面的熔融態(tài)固化。與傳統(tǒng)同軸電紡相似，電紡的材料 (熔融態(tài)或固態(tài)) 必須不溶于溶劑才能獲得芯-殼結(jié)構(gòu)的纖維。芯-殼型結(jié)構(gòu)的納米纖維可廣泛用于不穩(wěn)定的生物試劑的保存、防止不穩(wěn)定的化合物分解、分子藥物的持續(xù)釋放、組織工程支架的構(gòu)建、導(dǎo)電納米線、軍事中的生物化學(xué)防護(hù)服等方面。

圖3 同軸電紡裝置[37]Fig. 3 Schematic of the melt coaxial electrospinning setup used for fabricating TiO2-PVP nanofibers loaded with hydrocarbon PCMs[37].

3.3 電紡技術(shù)和快速成型方法的結(jié)合

可能同一組織的不同部分或不同組織層需要不同的支架形態(tài)和功能，這就需要電紡提供靈活多變的纖維直徑和取向，一直以來(lái)電紡技術(shù)中的纖維取向方法都比較單一，主要是通過(guò)改變纖維或是通過(guò)接收輥?zhàn)拥乃胶托D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)獲得單向取向的纖維[9,38]，最近本研究組發(fā)明了一種結(jié)合電紡和快速成型技術(shù)的新方法 (圖4)，有望為電紡在組織工程中的應(yīng)用帶來(lái)新突破，其基本思想就是利用納米級(jí)纖維的電紡設(shè)備，結(jié)合快速成型中的精密接收裝置，獲得任意想要的三維立體結(jié)構(gòu)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維直徑、支架孔隙率和孔徑、纖維形態(tài)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制[39]。

3.4 一些后處理技術(shù)

圖4 一種結(jié)合電紡和快速成型的裝置示意圖[39]Fig. 4 Schematic of a electrospinning device based on rapid prototyping process which mainly includes tip electrode, electrode scaffold, DC voltage source, platform and moving system, capillary, nozzle, stand and spinning control system[39].

盡管電紡技術(shù)制備的支架在強(qiáng)度、生物相容性、可降解性方面性能卓越，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易。但是對(duì)于嚴(yán)格的組織培養(yǎng)，仍然需要一定的后處理來(lái)完善其性能，以便模擬更加符合細(xì)胞外基質(zhì)的條件。戴有剛等[20]研究了乙醇對(duì)絲素(SF) /PLGA人工血管后處理以后的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)100%乙醇水溶液處理后明顯提高了其管狀支架材料的強(qiáng)度，但是脆性增加，柔軟性下降。一般為了獲得不能直接電紡的纖維，利用同軸電紡，制備好后可以用適當(dāng)?shù)娜軇┤サ魵咏Y(jié)構(gòu)，也可以利用適當(dāng)?shù)娜軇?nèi)核去除，制成納米微管。Wang等[40]首先制備了硅膠包裹潤(rùn)滑油/PVP的芯-殼納米纖維，然后將核層的潤(rùn)滑油和PVP除去，得到SiO2納米管，內(nèi)徑僅有20 μm，并允許單分子從中通過(guò)。研究發(fā)現(xiàn)，不同的后外理方法對(duì)PLLA支架形貌影響差別很大，在制造和使用支架過(guò)程中應(yīng)盡量避免一些對(duì)支架結(jié)構(gòu)形貌有影響的處理方式，如對(duì)支架進(jìn)行滅菌，盡量選用對(duì)支架影響較小的環(huán)氧乙烷滅菌法；又如在支架上進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)盡量避免使用乙酸異戊酯進(jìn)行脫水，直接使用鋨酸固定及真空干燥，以保護(hù)支架和細(xì)胞，從而得到更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Zong等[18]在心臟組織支架的制備過(guò)程中，進(jìn)行了雙軸取向拉伸的后處理，獲得了各項(xiàng)異性的PLGA膜支架，隨著拉伸率的提高，纖維的孔隙率降低，所以提出雙向拉伸可以有效地控制電紡支架的取向和孔隙率。

3.5 多層電紡和混合電紡

除了同一根纖維中復(fù)合多種材料的共混電紡和同軸電紡，一些研究者還利用了多層纖維結(jié)構(gòu)，以滿足不同組織的要求，即不同的組織區(qū)位使用不同的紡絲材料和電紡工藝，甚至同一個(gè)支架，不同層的纖維使用不同的纖維制備工藝和電紡工藝結(jié)合起來(lái)，充分利用不同制備工藝的優(yōu)點(diǎn)。Kidoaki等[41]提出了多層電紡 (Multilayering electrospinning) 和 混 合 電 紡 (Mixing electrospinning) 的加工方法，在多層電紡中，I型膠原 (Collagen) 苯乙烯化明膠 (ST-Gelatine)和聚氨酯 (PU) 依次沉積到同一收集屏上，層層疊加，最終得到了具有3層結(jié)構(gòu)的纖維膜；在混合電紡中，PU和PEO分別從2個(gè)噴口同時(shí)沉積到一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)并作水平運(yùn)動(dòng)的接收輥上，獲得了2種材料交叉編織的復(fù)合纖維膜，這些方法有助于提高纖維支架的孔徑和孔隙率，便于細(xì)胞的生長(zhǎng)和遷移。

混合電紡是載有不同聚合物溶液的2個(gè)或多個(gè)噴絲頭同時(shí)紡絲。這兩種方法都可以根據(jù)具體的要求得到針對(duì)性較強(qiáng)的細(xì)胞支架，在組織工程支架的制備方面有很好的發(fā)展前景。

葛麗芹等[42]通過(guò)將層層組裝技術(shù)轉(zhuǎn)移到一維電紡納米纖維表面后選擇性的去除模板獲得一類全新的材料-中空多層有機(jī)復(fù)合納米纖維(圖 5)。他們發(fā)現(xiàn)在堿性條件下有機(jī)聚合物在模板上的生長(zhǎng)速度是最快的，而且表面的形貌也保持得相當(dāng)好，可以看成是pH的最優(yōu)條件，沉積10層有機(jī)聚合物在模板上的結(jié)果比較令人滿意，而且表面的形貌也保持的比較好，可以看成是沉積層數(shù)的最優(yōu)條件。

圖5 基于電紡技術(shù)的中空多層聚合電解質(zhì)納米纖維[42]Fig. 5 Hollow multilayered polyelectrolyte nanofiber based on electrospinning method [42].

4 電紡在組織工程應(yīng)用的研究展望

溶液電紡工藝的不斷完善和發(fā)展為其在組織工程中的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，其溫和的加工工藝也使得在人體組織或細(xì)胞培養(yǎng)基上直接電紡成為可能。同時(shí)具有特殊功能和精確控制的電紡裝置不斷出現(xiàn)為更為復(fù)雜的組織支架的制備創(chuàng)造了條件。熔體電紡工藝的不斷進(jìn)步也為環(huán)境友好的組織支架制備帶來(lái)了新的希望。但是目前也存在不少問(wèn)題和改進(jìn)之處：

1) 電紡工藝穩(wěn)定性、重復(fù)性差，實(shí)現(xiàn)紡絲過(guò)程的精確實(shí)時(shí)控制，并逐步開展量產(chǎn)的研究有利于電紡制備生物支架工藝的進(jìn)一步完善。

2) 針對(duì)溶液紡絲中殘留溶劑的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)利用更加經(jīng)濟(jì)或安全的溶劑替代有環(huán)境危害性或是殘留致病性的溶劑，同時(shí)深入研究熔體電紡在組織支架纖維制備中的應(yīng)用有更加重要的意義。

3) 組織工程細(xì)胞支架具有其自身的特點(diǎn)，更加重視仿生設(shè)計(jì)在電紡中的應(yīng)用，將其和電紡、快速成型技術(shù)結(jié)合起來(lái)，迅速推動(dòng)支架優(yōu)化、取向優(yōu)化的組織支架的研究和應(yīng)用，這也是電紡技術(shù)的發(fā)展方向之一。

4) 在以往的研究中過(guò)多地考慮了工藝，忽視了紡絲材料，通過(guò)電紡材料的改性、優(yōu)化后處理工藝、改進(jìn)材料生物相容性及其力學(xué)性能等來(lái)改進(jìn)細(xì)胞支架細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中活性傳輸特性，可以保證細(xì)胞健康快速的增殖。

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Electrospinning technology in tissue engineering scaffolds

Haoyi Li, Yong Liu, Xuetao He, Yumei Ding, Hua Yan, Pengcheng Xie, and Weimin Yang
College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China

Tissue engineering technology provides a new method to repair ill tissue and worn-out organs. In tissue engineering, scaffolds play an important role in supporting cell growth, inducing tissue regeneration, controlling tissue structure and releasing active factor. In the last decade, electrospinning technology developed rapidly and opened vast application fields for scaffolds. In this review, we summarized the technological conditions of electrospinning for scaffolds, the study of electrospun fiber scaffolds applied in tissue cell cultivation, and some new directions of electrospinning technology for scaffolds. We also addressed development directions of electrospinning research for scaffolds.

tissue engineering, electrospinning, cell scaffold

組織工程學(xué) (Tissue engineering)，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)于1987年提出，其目的是培養(yǎng)生物替代品來(lái)補(bǔ)救或替換損傷和老化的器官和組織。一種前景比較好的方法就是在可降解支架上移植細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，但如何設(shè)計(jì)支架使其能夠引導(dǎo)組織的再生是組織工程的一個(gè)難點(diǎn)[1]。

May 22, 2011; Accepted: August 5, 2011

Weimin Yang. Tel: +86-10-64434322; Fax: +86-10-64434734; E-mail: yangwm@mail.buct.edu.cn

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