（应用化学专业论文）PLLACL复合纳米纤维的制备、表征及在生物医学领域的应用.pdf

，；jlf，i，li、1t， i，ji|11 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：矽多年 渤斗 朋7 e l 2 j 多0 or【 夕i l 、1写 丫 0 ， 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密匦在立年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 。 不保密口。 指导教师签名： 鹈褪 日期：。睥1 月护 j 1 ， 东华大学硕士学位论文 p ( l l a - c l ) 复合纳米纤维的制备、表征及 在生物医学领域的应用 摘要 天然细胞外基质是由邻近细胞分泌的三种主要成分即蛋白纤维、 蛋白聚糖和非纤维蛋白成分通过化学和物理的交联组成的，其中直径 分布在几十到几百纳米的蛋白纤维，主要是胶原蛋白和弹性蛋白纤维 通过相互的交织形成具有三维结构的网状结构为组织的生长提供支 撑和弹性。聚合物纳米纤维在形态上类似于天然细胞外基质，可以为 细胞的生长提供一个三维的空间和更多的黏附位点。本文利用静电纺 丝制备聚合物纳米纤维以仿生天然细胞外基质作为生物医用材料用 于组织工程支架、药物缓释等相关领域。本文内容涉及材料加工、机 械设计、医疗器械领域，主要分为三个部分： ( 1 ) 首次制备由天然材料壳聚糖和人工聚合材料p ( l l a c l ) 复 合的纳米纤维仿生细胞外基质，并通过s e m 、f t i r 、x r d 、接触角、 机械性能测定分析该纳米纤维的物理、化学性能，并通过成纤维细胞 和p i e c s 细胞在纤维膜上的黏附和增殖行为对其安全性进行了评估。 实验发现纤维的直径随纺丝溶液的浓度和p ( l l a 弋l ) 所占比例的增加 而递增；纤维膜的亲水性随着壳聚糖组分的逐渐增加依次增强；该纳 t，卜p p ( l l a - c l ) 复合纳米纤维的制各、表征及在生物医学领域的应用 米纤维膜能为成纤维细胞和p i e c s 细胞的生长提供一个适宜的三维 的空间环境，有助于细胞的粘附和增殖。此后，为得到具三维结构的 纳米纤维管状组织工程支架，本文设计了一套静电纺接收装置，可将 电纺纤维成型为长度、厚度和管腔直径可控的管状支架。另外，通过 对该装置的改进我们得到了由排列纤维组成的膜状织物，并发现通过 调节织物中纤维的排列度可以调节断裂拉伸力学性能。 ( 2 ) 通过同轴共纺技术首次成功制备出了芯层载有肝素或肝素 与明胶复合物的超细纤维及织物。通过t e m 、s e m 及i m a g ej 软件， 我们对其形态及壳一芯结构进行了分析。肝素及其复合物可被完全包 裹于p ( l l a c l ) 中，其含量及纤维形态与芯层供给速率相关。纤维内 部细胞实验中发现对成纤维细胞的生长具有明显的抑制作用。 ( 3 ) 成功制备出以静电纺p ( l l a c l ) 纤维或同轴共纺载肝素 p ( l l h l ) 壳一芯纤维为覆膜的新型血管内支架。p ( l l a _ c l ) 纤维覆膜 支架易被固定在传输器的球囊上，最大扩张压低于8 个大气压，扩张 后的回弹率分布在3 9 - 6 1 ，在液压p = 1 6 0 + 0 3 k p a 时水的渗透量 为3 2 3 1 6 2m l c m 2 m i n ，动物实验发现对动脉瘤具有较好封堵效 果，能够初步满足临床要求。 关键词：静电纺丝，p ( l l a c l ) ，壳聚糖，组织工程，肝素，覆膜支架 j 歹 东华大学硕士学位论文 p r e p a r a t i o nc h a ra c t e r i z a t i oo fe u c t r o s p u n p 皿l a c l ) b a s e dn a n o f i b e r sa n d t h e i ra p p l i c a t i o n i nb i o t 垣e d i c a la r e a s a b s t r a c t n a t i v ee x t r a e e l l u l a rm a t r i x0 三c l v 0i sac h e m i c a l l ya n dp h y s i c a l l yc r o s s - l i n k e dc o m p l e x n e t w o r ko ft h r e ei m p o r t a n tc l a s s e so fb i o m a c r o m o l e c u l e ss e c r e t e dl o c a l l yb yc e l l s t h e s ea r c f i b r o u sp r o t e i n s ，p r o t c o g l y c a n s ，a n dn o n - f i b r o u sp r o t e i u s i nat y p i c a lc o n n e c t i v et i s s u e , s t r u c t u r a l f i b e r ss u c h 勰c o l l a g e nf i b e r sa n de l a s t i nf i b , 懿h a v ed i a m e t e r sr a n g i n gf r o ms e v e r a lt e nt os e v e r a l h u n d r e dn a n o m e t e r s t h en a n o s o a l e df i b e r se n t a n g l ew i t he a c ho t h o rt of o r man o n w o v e nm e s h t h a tp r o v i d e st e n s i l es t r e n g t ha n de l a s t i c i t yf o rt h et i s s u e s t h em o r p h o l o g y o f p o l y m e rn a n o f i b e r s a r cs l l i l i l a rt oe c m ，a n dc a ns u p p l ya3 - de n v i r o n m e n ta n dm o 坞a c c e p t o rs i t e sf o rc e l la d h c 鹏 n c e a n dg r o w t h i nt h i ss t u d y , e l e c t r o s p i n n i n gh a sb o o nu s e dt of a b r i c a t en a n o f i b e ma sb i o m e m i t i c e c mf o re x c e l l e n tb i o m a t e r i a i s t h e r ea m a n yr e s e a r c hf i e l d ss u c ha sm a t e r i a l sf a b r i c a t i o n ， m e c h a n i c a ld e s i g na n dm e d i c a ld e v i c ew o r ei n v o l v e d 越f o l l o w i n gi nt h i sp a p e r ( 1 ) c h i t o s a n - p ( u a c l ) c o m p l e xw a ge l e c t r o s p u ni n t on a n o f i b e r sa sb i o m e m i t i ce c mf i r s t t i m e i nt h i ss t u d y , s e m ，f t i r , x r d ，c o n t a c ta n g l o , a n dm a t e r i a l st e s tm a c h i n ew e r eu s e dt o c h a r a c t e r i z et h en a n o f i b e r 1 1 1 ec e l l so ff i b r o b l a s ta n dp i e c sw e r es e e d e do n t on a n o f i b e rm a t sf o r a d h e r e n c ea n dp r o l i f e r a t i o ns t u d i e s an e wc o l l e c t o r 砸t ha r o t a r ym a n d r e lh a sb e e nd e s i g na n d u s e dt of a b r i c a t et u b u l a rs c a f f o l do ra l i g n e dn a n o f i b e rf i b d c 硼地r e s u l t ss h o w e dt h a t c h i t o s a n - p ( u a l ) c o m p l e xn a n o f i b e ra n di t sf i b r i ch a v es h o w nv a l u a b l ep o t e n c i a la p p l i c a t i o n a sb i o m a t c r i a l sf o rt i s s u ee n g i n c 商n gs c a f f o l d , w o u n dd r e s s i n g , a n ds oo n ( 2 ) h e p a r i nc o n t a i n e dc o r e - s h e l lf i b e r sa n d 同c ) l i 0w e r ef a b r i c a t e du s i n gc o a x i a le l e c t r o s p i n n i n g t e c h n i q u e t h r o u g ht e m ，s e mt e s ta n di m a g ejs o f t w a r e ，t h em o r p h o l o g ya n dd i a m e t e ro f c o r s h d lf i b e rw e r ei n v e s t i g a t e d i nc e l lc u l t u r i n gt e s t , h e p a r i nc o n t a i n e df i b e r sh a v es h o w n l p ( l l a - c l ) 复合纳米纤维的制备、表征及在生物医学领域的应用 o b v i o u si n h i b i ta f f e c to np r o l i f e r a t i o no ff i b r o b l a s t d u et ot h e s p e c i a ls 觚l c t i l r 包t h i sk i n do ff i b e r s a r ev e r yu s e f u li na p p l i c a t i o na sh e p a r i nr e l e a s ea n dt i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d ( 3 ) an e wt y p eo fc o v e r e ds t e n tw a gs u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dw i t he l e c t r o p i n n i n gt e c h n i q u ea n d t h er o t a r ym a n d r e lc o l l e c t o ri no u rs t u d y e l e c t r o s p u nf i b e r sc o v e r e ds t e n tc o u l db ew e l l 触e do n t h eb a l l o o no fd e l i v e r yd e v i c e , a n ds h o w e dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm o r p h o l o g yi n d i l a t i o np r o c e s s a f t e re x p a n d i n g ，t h ef i b e rf a b r i co ns t e n tc o u l dm a i n t a i nt h e i rm o r p h o l o g yw e l l a n db e 触e di na r t e r y a san o w t y p eo fc o v e r e ds t e n tw i t hl o wr e c o i la n di n f i l t r a t i o n ，e l e c t r o p u n f i b e r sc o v e r e ds t e n ts h o w e dp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nc l i n i c a lt r e a t m e n to f a n e u r y s m k e yw o r d s ：e l e c t r o s p i n n i n g ，p ( l l a - c l ) ，c h i t o s a n ，t i s s u ee n g i n e e r i n g ，h c p a r i n ，c o v e r e ds t e n t i v 龟，i， 氇 0 o 东华大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 1 1 生物材料与组织工程1 1 1 1 生物材料l 1 1 2 组织工程2 1 2 组织工程支架。3 1 3 静电纺纳米纤维组织工程支架4 1 3 1 纳米纤维的制备4 1 3 2 静电纺纳米纤维5 1 3 3 静电纺纳米纤维组织工程支架7 1 4 同轴共纺壳芯纤维。1 0 1 4 1 同轴共纺技术1 0 1 4 2 静电纺壳芯纤维组织工程支架1 1 1 5 本文的研究内容及意义1 3 1 5 1 研究内容1 3 1 5 2 研究意义1 3 1 5 本文主要创新点1 4 第二章基于p ( l l a - c l ) 的复合纳米纤维的制备及表征 2 1 引言。1 5 2 2 实验部分一1 6 2 2 1 实验材料和仪器1 6 2 2 2 溶液配制1 7 2 2 3 形态表征1 7 2 2 4 红外图谱分析1 7 2 2 5x - 射线衍射分析1 8 2 2 6 亲疏水性研究1 8 2 2 7 孔隙率研究1 8 v p ( l l a - c l ) 复合纳米纤维的制各、表征及在生物医学领域的应用 2 2 8 拉伸力学测试1 8 2 3 结果与讨论1 9 2 3 1 静电纺参数及纤维形态研究1 9 。 2 3 2 红外图谱分析2 3 2 3 3 x - 射线衍射分析j 2 4 2 3 4 亲疏水性研究2 5 2 3 5 孔隙率研究2 6 2 3 6 机械性能2 7 2 4 小结2 8 第三章p ( l l a - c l ) 复合纳米纤维组织再生支架 3 1 引言3 0 3 2 实验部分3 l 3 2 1 实验材料和仪器3 1 3 2 2 膜状支架的构建3 2 3 2 3 膜状支架的生物学检测3 2 3 2 4 管状支架的构建3 4 3 2 5 排列纤维支架的制备及机械性能表征3 5 3 3 结果与讨论3 5 3 3 1 膜状支架的构建3 5 3 3 2 膜状支架的生物学检测3 6 3 3 3 管状支架的构建4 l 3 3 4 排列纤维支架的制备及机械性能表征4 3 3 4 小结4 7 第四章p ( l l a c l ) 载肝素纤维的制备与表征 4 1 引言4 9 4 2 实验部分。5 0 4 2 1 实验材料和仪器5 0 4 2 2 溶液配制5 1 4 2 3 纺丝工艺5 l 4 2 4 形貌表征5 2 v i 东华大学硕士学位论文 4 2 5 成纤维细胞增殖抑制测定5 2 4 3 结果与讨论5 3 4 3 1t e m 分析。5 3 4 3 2 扫描电镜分析5 4 4 3 3 壳芯纤维织物5 6 4 3 4 对成纤维细胞增殖的抑制作用5 7 4 4 小结5 8 第五章纳米纤维覆膜血管内支架 5 1 引言5 9 5 2 实验部分6 0 5 2 1 实验材料及设备6 0 5 2 2 溶液配制6 1 5 2 3 纤维覆膜血管内支架的制备6 l 5 2 4 扫描电镜检测6 2 5 2 5 纤维覆膜支架的扩张与回弹6 3 5 2 6 渗透量测试6 3 5 2 4 动物实验6 4 5 3 结果与讨论6 4 5 3 1 纤维覆膜支架的形态6 4 5 3 2 纤维覆膜的扩张性6 5 5 3 3 纤维覆膜的渗透性6 7 5 3 4 动物实验6 7 5 4 小结6 9 第六章总结与展望 6 1 本论文的主要结论7 0 6 2 存在的问题与展望。7 1 参考文献7 3 附录 缩写8 0 攻读硕士学位期间科研及发表论文情况8 l 致 射8 3 l 第一章 第一章绪论 1 1 生物材料与组织工程 1 1 1 生物材料 生物材料( b i o m a t e r i a l s ) 是指能作为一个系统的整体或部分使用一段时间，达 到治疗、增加或替换身体的一些组织、器官并恢复功能的任何物质或物质的组合， 它可以是天然的或人工合成的【1 1 。生物材料的特性决定了与器官、组织、细胞、细 胞器及生物大分子等不同层次活有机体的接触。因此，作为生物材料应具有一定的 生物相容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 、必要的力学性能和不同层次的生物学功能。生物 材料已成为现代生物工程、医学工程以及药物制剂等进一步发展的重要物质支柱； 同时，生物材料与生命物质间相互作用的本质的阐明以及两者间界面分子结构的揭 示对于生命科学的发展也存在十分重要的意义。 表1 1 各种生物材料的比较瞳1 生物材料种类繁多，到目前为止已经有超过1 0 0 0 种被详细研究过，在医学上广 泛使用的也有几十种，涉及材料学科的各个领域。根据不同的分类标准，生物材料 可以分为不同的类型。以材料的生物性能为标准，生物材料可分为生物惰性材料、 生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料四类；以材料的属性则可分为生物医 绪论 用金属材料、生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物衍生材料等【2 1 。表卜1 中集中常用生物材料的优缺点的比较。与其它材料相比，生物医用高分子材料具备 强度好、易于加工、高纯度、化学惰性、稳定性和耐生物老化等优点。近十年来， 由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料及其制品正以其 特有优异性能而获得越来越多的医学临床应用。 1 1 2 组织工程 组织、器官的缺损及功能异常是常见的疾病，通常解决方法是器官移植，但存 在供体短缺，易引发免疫疾病等问题。2 0 世纪9 0 年代r o b e r tl a n g e r 和j o s e p hp v a c a n t i 提出组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 概念后，为众多的组织缺损、器官功 能衰竭病人的治疗带来了曙光【3 ，4 】。新兴的组织工程可以利用生物学、工程学原理制 备出替代受损伤的组织、器官或恢复其部分功能的代用品，以达到治疗的目的。方 法是将体外分离和培养的细胞种植到具有一定三维空间结构的支架上，在体外生物 反应器中或者植入体内继续培养，通过细胞与支架间的相互作用，细胞不断的增殖、 分化和分泌细胞外基质，从而形成具有一定结构和功能的组织或器官【4 】。 图1 1 组织工程器官的体外构建 ( h t t p ：w w w c e n t r o p c d e c o m u k s b 2 0 0 6 e p o s t e r b a c k g r o u n d h w n l ) 组织工程的研究已经涉及骨、软骨、肌腱、韧带、神经、血管、心脏、皮肤、 肌肉、肝脏、膀胱、角膜等人体组织和器官等领域，并取得了重要进展。但组织工 程在临床应用上还面临种子细胞培养、三维细胞支架开发和组织构建等方面的不足。 2 第一章 当前，利用适宜的生物材料制备理想组织工程用可降解生物活性支架仍然是限制其 发展的关键问题。 1 2 组织工程支架 组织工程用支架是组织工程研究的重要组成部分，支架所形成的三维结构不但 为细胞获取营养、生长和代谢提供了一个有利的空间，也为植入的细胞分泌细胞外 基质并最终形成相应的组织或器官提供了一个良好的环境【4 5 】。目前，用于组织工程 细胞支架的制备方法主要包括：纤维黏结( f i b e rb o n d i n g ) 【6 】、溶剂浇铸粒子沥滤 ( s o l v e n tc a s t i n g p a r t i c u l a t el e a c h i n g ) 【_ 7 1 、乳化冻干( e m u l s i o nf r e e z e d r y i n g ) i s 、气体发泡( g a sf o a m i n g ) 【9 】、相分离( p h a s es e p a r a t i o n ) 【1 0 1 、自组装 ( s e l f - a s s e m b l y ) 1 l 】、快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 【1 2 】和静电纺丝 ( e l e c t r o s p i n n i n g ) n 3 1 。 理想的组织工程用支架应满足：仿生天然细胞外基质的结构和生物学功能， 有良好的生物相容性使得细胞可以黏附和增殖，降解速率与组织再生的速率相 匹配，适当的机械性能，支撑细胞生长，具有较好的显微结构，比如适合的孔 尺寸、高孔隙率和相连的孔形态，特定的三维外形，高比表面积和合适的表面 理化性质【1 4 】。 图1 2 细胞镶嵌在天然细胞外基质中生长 为得到优良的组织工程支架，仿生天然细胞外基质的结构和功能，包括化学、 物理结构和性能是一个理想的选择。天然细胞外基质( e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ，e c m ) 是由邻近细胞分泌的三种主要成分即蛋白纤维、蛋白聚糖和非纤维蛋白成分通过化 3 绪论 学和物理的交联组成的，其中直径分布在几十到几百纳米的蛋白纤维，主要是胶原 蛋白和弹性蛋白纤维通过相互的交织形成具有三维结构的网状结构为组织的生长提 供支撑和弹性( 图1 2 ) b s 。通过对组织工程支架多年的研究，发现聚合物纳米纤 维基质在形态上类似于天然细胞外基质，与传统的微孔、微米纤维组织工程支架相 比，纳米纤维可以为细胞的生长提供一个三维的空间和更多地黏附位点( 图1 3 ) 【1 6 】。 abc 虫 。 贝 量 霸奠 王 望 丢 蕊 震 匿 霪 8 酸酸 e 豫攀”i 雾”铲”z 。 0 楚 妒 i 誊 西 9 黝臻黧震黧鬏缓戮鼹7 。， 7 潮i a * j 篆 k l 舌 ， 焉 i _ u i 赫“”4 “二一，、一。一v4 4 r q # ；+ 善 图1 3 微孔、微米纤维与纳米纤维组织工程支架【1 6 】 1 3 静电纺纳米纤维组织工程支架 1 3 1 纳米纤维的制备 纳米结构通常是指尺寸在1 0 0 纳米以下的微小结构，通常将至少有一维尺寸在 1 0 0 纳米或以下的材料成为纳米材料。材料有i 维处于纳米尺度，则称该材料为3 i 维纳米材料。纳米纤维是一维纳米材料，在空间两个维度上尺寸为纳米尺度，即纳 米丝、纳米棒或纳米管等。从广义上说，只要纳米纤维中包含有纳米结构，并赋予 了新的物性，均可划入纳米纤维范畴。因此直径在1 0 0 0 纳米以下的纤维，由于具有 极小的直径、极大的体表面积，表现出良好的物理、化学、力学和生物特性，通常 也被纳入纳米纤维的讨论范卧- 刀。 纳米纤维由于具有尺度小、比表面积大和物理性能优异等特点，在微电子、过 滤材料、纺织、能源和生物医学等领域具有广阔的应用前景。目前制各纳米纤维德 主要方法包括拉伸法( d r a w i n g ) 、模版合成( t e m p l a t es y n t h e s i s ) 、相分离( p h a s e s e p a r a t i o n ) 、自组装( s e l f - a s s e m b l y ) 黎 静电纺丝等【1 8 】。表1 2 和1 3 中列出了以上制备 tt#警， 第一章 纳米纤维技术及其优缺点的比较。与其它技术相比，静电纺所需设备简单，在加工 过程控制、重复性、纤维尺寸控制等方便更有优势，并具有很好的工业化前景。 表1 2 制备纳米纤维的技术比较【1 7 l 表1 3 不同制备技术的优缺点【l 刀 方法优点缺点 拉伸设备简单过程不连续 模板合成纤维直径可通过模版调节 设备简单，可直接得到纳米纤 相分离维基质，具有连续性，机械性受限于特殊聚合物 能可通过聚合物浓度调节 自组装 易于获得更小尺寸的纳米纤维过程复杂 性价比高，生产连续的长纳米 电纺 喷丝不稳定性 纤维 1 3 2 静电纺纳米纤维 1 3 2 1 静电纺丝原理 静电纺是一个通过让聚合物溶液或聚合物熔融液带电从而喷射出来的处理方法 制造纳米纤维的手段。f o r m h a l s 等人在1 9 3 4 就申请了利用静电力生产聚合物纤维 的实验方法的专利【1 9 】。整个静电纺所需器材极其简单，一支盛聚合物的吸液管，两 个电极和直流静电发生器。由于高电压的作用，从吸液管中喷出的聚合物被拉伸为 纤维( 图1 4 ) 。与传统纺丝主要依靠机械力原理不同，静电纺是使聚合物溶液或熔 体带上了静电，在外加静电场的作用下产生超细纤维的过程。在电场力的作用下， 喷丝头尖端的聚合物溶液或熔体会形成t a y l o r 锥，当电场达到几千甚至几万伏的时 候，带电液体会克服其表面张力而形成射流。在一定的条件下，聚合物射流受静电 斥力、库仑力和表面张力的共同作用，聚合物射流会沿着不稳定的轨迹弯曲运动， 5 绪论 即每次聚合物纤维环绕一圈，其直径就会减小，在几十毫秒内被牵伸成亚微米或纳 米级纤维。图1 5 给出了静电纺纤维过程及纤维牵伸模式图。静电纺得到的纤维在 接地的接收器表面以纤维网的形式被接收。 瑙曲 v o l t a g e p o w e r s l 睇i y 一 i l m l i 图1 4 电纺过程的示意图n 刀 图1 5 静电纺纤维过程及纤维牵伸模式图 2 0 0 4 匀z ，由捷克利贝雷茨( l i b e r e e ) 技术大学与爱勒马可( e l m a r e o ) 公司合作 生产的纳米纤维纺丝机“纳米蜘蛛一问世( 图1 6 ) 。该技术以实现纳米纤维材料的 6 ； 第一章 大规模工业化生产的目标。其特点是：无喷丝头、产量高、成本低。 ( a )c o ) 图1 6 纳米蜘蛛技术( a ) 纳米蜘蛛生产无纺布( b ) 带电射流的产生( w w w n a n o s p i d e r c z ) 1 3 2 2 静电纺纤维的影响因素 在电纺过程中，有很多因素会影响电纺纤维的形貌和结构，进而影响其理化性 能和应用前景。近年来，人们对电纺参数的影响进行了大量的理论分析和实践探索， 这些影响因素主要包括溶液的性质、控制变量和环境参数。其中，溶液性质有粘度、 表面张力、浓度和电导率等；控制变量有施加的电压、毛细管到收集器的距离、进 料速度和收集装置的种类等；环境参数有电纺的温度、湿度等。通过对这些参数的 理解，就可以采取不同方法制得各种形式和形貌的纤维结构，或通过改变参数获得 不同形态的纳米纤维。 1 3 3 静电纺纳米纤维组织工程支架 电纺技术能够连续制备纳米级或亚微米级超细纤维，在组织工程支架制备方面 具有独特的优势。研究表明，纳米材料对细胞行为有显著影响【2 0 】，细胞在小于自身 尺度的纤维上具有更好的粘附特性f 2 1 ，2 2 】。能够电纺加工成组织工程支架的材料可分 为天然材料、合成高分子材料以及它们的复合物，天然材料包括胶原、明胶、蚕丝、 蜘蛛丝、几丁质及其衍生物、纤维蛋白、d n a 和生长因子等；合成高分子材料主要 是一些可降解材料包括p l a 、p g a 、p l g a 、p c l ，少量的非降解材料如p e o 、p u 等也被用来加工血管支架等。近年来，采用电纺制备的聚合物纳米纤维已经被广范 应用在软骨嘲、骨 2 4 1 、血掣2 孓2 刀、神经【矧、心脏因捌、皮肤洲和膀胱【3 2 】等组织工 程器官和组织研究领域，下面以软骨、骨、血管、神经为例进行介绍。 7 绪论 ( 1 ) 软骨 p l g a 2 3 】、p c l 3 土3 4 1 、i i 型胶原【3 5 ，3 q 等均以被电纺成软骨组织工程支架。实验 表明，p l g a 支架具有良好的孔隙结构和力学性能，适合细胞的粘附、生长和增殖， 维持细胞表型，可望作为软组织如皮肤和软骨再生的支架。i i 型胶原电纺支架体外 培养关节软骨细胞，结果表明细胞能够顺利长入支架内部，动态培养的结果还显示 来自胶原支架的力学刺激能够促进细胞增值和分泌细胞外基质。 ( 2 ) 骨 v a e a n f i 小组【3 刀研究表明，骨髓基质干细胞( m s c ) 与电纺p c l 支架复合培养 时，细胞能够长入支架内部，经诱导分化为成骨细胞，并在培养4 周时产生矿化组 织和分泌i 型胶原【3 8 】。同样方法培养4 周的复合支架植入l e w i s 大鼠的网膜内，植 入4 周后取出标本，切片并进行组织学、免疫组化和扫描电镜观察，显示植入物已 矿化为骨组织并可能形成血管化组织。 ( 3 ) 血管 图1 7s e m 照片显示培养的平滑肌细胞( s m c s ) 能够沿着定向排列的p ( l l 卜c l ) 纤维粘附和 迁移【3 9 1 心血管疾病是威胁人类健康的头号杀手。据美国心脏协会统计，在2 0 0 0 年，此 类疾病导致的死亡人数占美国当年总死亡人数( 2 4 0 万) 的3 9 4 t 2 5 1 。用组织工程 原理来治疗此类疾病无疑具有重要的意义。目前已有部分研究小组开展了电纺纤维 血管组织工程的研究。b o w l i n 等人【2 5 , 2 6 1 致力于从生物力学角度构建人工血管。他们 将电纺p l a 无纺布和螺旋状缠绕的胶原纤维束加工成内径小于6m m 的血管支架， 螺旋状的胶原纤维束产生的张力使整个支架具有一定的残余应力，体外细胞实验表 3 第一章 明，培养的人动脉平滑肌细胞( s m c s ) 能够在p l a 支架上粘附和增殖，并沿着胶原 纤维束的方向排列。他们还构建了由i 、型胶原和弹性蛋白( d a s t i n ) 电纺纤维 组成的三层支架，通过微重力条件下的体外细胞培养，显示这种由天然材料构建的 人工血管能够模拟人体动脉血管的复杂结构。r a m a k r i s l m a 研究小组对p l l a t 2 z l 和 p ( l l a - c l ) 1 3 9 , 4 0 1 用于血管组织工程支架进行了大量的实验研究，发现p l l a 支架的 表面粗糙度对血管内皮细胞的功能有一定的影响，平滑的表面更有助于增强内皮细 胞的功能；电纺p ( l l a c l ) 支架具有良好的生物相容性和力学性能，能够支持内皮 细胞和平滑肌细胞( s m c s ) 的粘附、增殖、表型和维持正常的细胞形态；采用文献【柏】 报道的定向收集装置，该小组在p ( l l a - c l ) 电纺血管支架研究方面还获得了一些更 有价值的发现，如培养的平滑肌细胞( s m c s ) 能够沿着定向排列的纤维粘附和迁移 并呈纺锤状状细胞表型( 图1 7 ) ，激光扫描共焦显微观察表明其细胞骨架蛋白与纳 米纤维走向平行，与溶剂浇铸法得到的材料相比，定向纳米纤维支架上培养的细胞 的粘附和增殖能力明显增强；他们也尝试了对电纺支架进行表面修饰的可行性，将 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 和明胶( g e l a t i n ) 分别接枝到聚对苯二甲酸乙二醇酯 ( p o l y e t h y l e n et c r c p h t h a l a t e ，p e t ) 电纺纤维上，体外细胞实验结果证实，明胶修饰的 p e t 电纺纤维能够明显改善内皮细胞的伸展和增殖能力，并维持其细胞表型【4 。 图1 8 静电纺胶原蛋白、弹性蛋白纤维复合管状支架阱m ( 4 ) 神经 r a m a k r i s h n a 小组也将定向排列的p l l a 纤维支架用于神经组织工程研究，在 鼠神经干细胞( n s c s ) c 1 7 2 与支架的联合培养实验中，发现细胞的伸长和神经突的 生长与支架中纤维的排列方向密切相关，而纤维的直径对其没有显著影响；但细胞 的分化程度则正好相反，细胞在纳米级纤维上的分化率明显高于微米级纤维，而与 9 绪论 纤维的排列方向无关【4 2 】。 1 4 同轴共纺壳芯纤维 1 4 1 同轴共纺技术 迄今，已探索多种技术用于壳芯型纳米结构的制备，比如自组装法 ( s e l f - a s s e m b l y ) 4 3 1 、激光消融法( 1 a s e ra b l a t i o n ) d 4 、模板合成法( t 锄p l a t es y n t h e s i s ) 4 5 】 和基于静电纺丝技术的t u f t ( t u b e sb yf i b e rt e m p l a t e s ) 法m 】等。但这些方法往往需要 烦琐的步骤，如d o n g 等【4 7 】利用化学蒸汽沉积( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n , c v d ) 与 单轴静电纺丝技术相结合的1 i 胛法，制各了p a n i ( 聚苯胺) p m m a ( 聚甲基丙烯酸 甲酯) 复合导电膜。另一方面，使用同轴电纺技术则能够比较容易地制备出壳芯结 构的纳米纤维1 4 8 ( 图1 9 ) 。这种方法特别适合那些芯层材料自身无法通过电纺形成 纤维的情况。 图1 9 电纺壳一芯纳米纤维 ( c o r e ：p o l y v i n y li d e n ed i f l u o r i d e ，s h e l l ：p o l y c a r b o n a t e ) 秘 目前已有同轴共纺装置的设计思路基本相同，即保持内外毛细管能够同轴排列， 但对于内、外毛细管的缩进问题有不同的考虑，有的设计取内管缩进的策略，但大 多数设计中采用内管伸长的方案。图1 1 0 是一种同轴共纺装置的示意图。l i 等【4 9 】 在最近的研究中发现在同轴电纺时同轴射流的形成与加工参数密切相关。例如，当 芯层液体的粘度减小到一定程度时便无法进入到壳层中，因而不能得到均匀的壳 芯纳米纤维。此外，芯层和壳层液体互不混溶更有利于形成连续和均一的壳芯纳米 纤维。 同轴电纺被广泛用于制备壳芯型纳米纤维结构，在生物医学等领域具有广泛的 1 0 第一章 潜在用途，如保存不稳定的生物试剂或病毒，防止不稳定的化合物的分解，分子药 物的持续释放，以及不影响芯层材料的同时对壳层材料进行功能化修饰等方面将发 挥不可替代的作用。将同轴复合纳米纤维和壳一芯型纳米结构用于组织工程支架的 构建也引起了人们的注意。 图1 1 0 同轴共纺壳芯纤维示意图 1 4 2 同轴共纺壳芯纤维组织工程支架 对壳芯型纳米纤维在组织工程方面的应用已经有大量的探索性研究，如壳层为 p c l ，芯层为明胶( g e l a t i n ) 的壳芯型纳米纤维支架( 图1 1 1 ) 。混纺p c l g e l a t i n 复合支架的体外细胞实验表明，骨髓基质细胞( b m s c s ) 不仅能够在复合支架上粘 附和生长，还能够向支架内部迁移。采用c f d a 分子探针标记细胞，培养一周后， 激光共聚焦显微镜观察表明细胞迁移到支架内部1 1 4i im ，而在单独的p c l 支架上 相同的时间细胞只迁移了4 8um ，表明电纺g e l a t i n p c l 复合材料作为组织工程支架 材料具有较大的潜力1 5 0 , 5 1 】。 在另一组测试中，通过比较了两种不同方法制备的c o l l a g e n - p c l 电纺支架对细 胞功能的影响，一种方法是将p c l 电纺纤维膜置于1 0 m g m l 的胶原溶液( 乙酸为溶 剂) 中浸泡，干燥后形成胶原包裹的p c l 纤维膜；另一种方法是用同轴电纺制备内 层为