靜電紡材料結構對細胞生長的影響*

胡星友　趙新哲　高　晶　金　倫　王　璐

1. 東華大學紡織學院，上海 201620 2. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620

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靜電紡材料結構對細胞生長的影響*

胡星友1,2趙新哲1,2高晶1,2金倫1,2王璐1,2

1. 東華大學紡織學院，上海 201620 2. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620

摘要：結合靜電紡纖維膜的制備工藝，以及目前靜電紡材料在紡織生物材料領域的應用，系統探討靜電紡材料的結構與細胞生長之間的關系，為靜電紡生物材料的精準研究提供更科學的思路，這對生物材料的發展具有重要意義。

關鍵詞：靜電紡材料， 紡織生物材料， 結構， 細胞生長

隨著組織工程醫學技術的迅速發展，傳統生物材料(如陶瓷、不銹鋼等)因制造工藝復雜、生物相容性較差及不可降解等缺點，逐漸被越來越多的具有良好生物性能的新型生物材料所代替，用于替換人體內病變或壞死的組織。

靜電紡納米纖維比表面積高，纖維膜成分、孔徑和形狀皆可調控，可根據實際需要生產不同特性和功能的纖維。因此，靜電紡生物材料成為了生物材料領域研究的熱點，其在臨床各領域具有極大的應用潛力。如：使用可降解高聚物——聚己內酯(PCL)靜電紡制小口徑人造血管，用來替換人體內因靜脈曲張或血栓而導致功能障礙的小口徑血管；使用膠原和殼聚糖混紡出具有抗菌性且能促進傷口愈合的靜電紡纖維膜，用作傷口敷料[1]。此外，近年的研究還表明，生物材料的組織結構和表面形態會影響細胞在其表面和內部的生長。因此，對靜電紡生物材料的研究不應只停留于其生物毒性及機械性能方面，而是更應注重其結構與細胞生長之間的關系，以期通過控制生物材料的結構使人體更好地適應生物材料，從而達到促進治療的目的。

1靜電紡絲技術

靜電紡絲技術是近年發展較快的制備納米纖維的一種重要方法，其利用帶電高分子熔體或溶液在高壓靜電場的作用下，經噴射、拉伸、溶劑揮發及固化，形成納米纖維。靜電紡納米纖維具有很高的比表面積、可控的孔徑和良好的延展性，可被加工成各種不同的長度與形狀[2-4]。此外，其原料成分可控，故可根據需要制得不同特性和功能的靜電紡納米纖維材料[5]。

在生物醫學材料領域，靜電紡超細纖維膜除具有上述優異特性外，還在一定程度上擁有仿生細胞外基質(ECM)的結構和生物學功能，可為細胞的黏附、增殖和分化提供理想的微環境[6]，故可作為外植體用于替換人體內產生病變的組織或器官。

纖維膜的性能通常與其結構相關。調控和優化靜電紡纖維及其集合體的結構可改變纖維膜的性能，大幅擴大纖維膜材料在生物醫學領域的應用范圍。一般而言，簡單靜電紡絲設備獲得的纖維集合體是由排列無序的纖維堆積而成的。改變靜電紡絲的接收裝置、電場、磁場等可獲得取向排列的纖維集合體。這種纖維集合體的軸向力學強度高、尺寸穩定性好，已在組織工程方面表現出很高的應用價值。此外，還可通過調控電場、紡絲液性質、環境溫濕度等獲得具有二維蜘蛛網狀結構的纖維膜。這種纖維膜的網孔大多以穩定的六邊形結構存在，比表面積大、吸附性能好、力學性能穩定，在生物醫學領域具有很大的應用前景[7]。

除了纖維集合體形態各異外，組成纖維集合體的單根纖維結構也很多樣，如常見的有珠粒或圓形實心纖維，特殊的有帶狀、螺旋狀、多芯、核-殼結構或中空結構的微/納米纖維。此外，靜電紡絲法還可制備出多組分聚合物復合納米纖維，即可實現不同聚合物功能的復合，還能彌補單一聚合物在化學或結構方面與人體組織不相容的不足。調節各組分之間的質量配比，還可改變纖維的力學性能、生物活性及降解行為，以滿足不同生物材料的要求[8]。當前，制作多組分纖維的方法主要有共混靜電紡絲法、多噴頭靜電紡絲法、多層和混合靜電紡絲法、同軸靜電紡絲法等。其中，同軸靜電紡絲可制得核-殼結構靜電紡纖維，此種纖維可同時具有兩種聚合物的性能，如若紡絲液只用于外層，則最后可得到中空管狀纖維。核-殼結構靜電紡纖維近年在藥物緩釋體系、組織工程支架、載藥醫用敷料和縫合線等生物醫學領域引起了廣泛的關注[9-11]。

2常用靜電紡高聚物及應用

常用靜電紡原料有多糖類生物高分子聚合物、蛋白類生物高分子聚合物和核酸類生物高分子聚合物等，其中殼聚糖、絲素蛋白和膠原等在醫用靜電紡生物材料領域應用最為廣泛[12-13]。

Wnek等[14]以六氟異丙醇為溶劑，通過添加少量必要基質制成混合液，再進行靜電紡絲，得到纖維直徑在80～700 nm的纖維蛋白原納米纖維膜。該膜可用作組織支架或傷口敷料。

Khil等[15]采用靜電紡絲技術制成了一種聚氨酯納米纖維膜。該膜具有很高的孔隙率和極小的孔徑，可很好地阻隔外界病菌穿過纖維膜表面。由這種聚氨酯納米纖維膜制成的傷口敷料，可很好地與皮膚黏附，且吸收性強，能避免滲出物于患處大量聚積，對傷口愈合有促進作用。

Wang等[16]使用殼聚糖和聚氧化乙烯，通過靜電紡絲技術嵌入納米銀離子，紡制出抗菌性能良好且生物相容性優秀的靜電紡纖維膜。在利用戊二醛交聯獲得較好的尺寸穩定性后，再使用生物黏合劑將該靜電紡纖維膜與基布黏合在一起，可用作傷口敷料。

目前，靜電紡技術在組織工程中得到了廣泛的應用。眾所周知，聚氨酯有著良好的生物相容性和機械性能，但缺少細胞親和力。而聚乙二醇有著良好的生物相容性，可用于聚合物表面親水改性。Wang等[17]曾嘗試利用靜電紡技術將聚氨酯/聚乙二醇共聚物制成小口徑人工血管，并對其生物相容性和機械性能進行評價，結果表明聚氨酯和聚乙二醇的質量配比會影響小口徑人工血管的機械性能及細胞的黏附性能。

3靜電紡纖維膜(材料)結構對細胞生長的影響

有研究表明，生物材料表面的親疏水性及其形態，包括粗糙度、孔隙率和結構等，都會影響細胞的黏附、增殖及遷移[18-22]。因此，細胞的行為會因材料表面的不同而發生改變。靜電紡纖維材料擁有較高的比表面積和相互纏結的纖維結構，且其表面和內部空間結構會因工藝參數的不同而形成巨大的差別，尤其是靜電紡纖維材料表面的孔徑尺寸，其可通過人為改變紡絲參數獲得微米級或納米級的孔徑[23-25]。

Zhang[26]制造了一種雙層靜電紡納米纖維膜結構支架，其由聚乙酸內酯、聚卡普隆、彈性蛋白和明膠組成，纖維直徑平均為600～1 400 nm。支架經7 d體外細胞試驗發現，人體動脈內皮細胞幾乎全部黏附，而血小板無黏附，表明該支架具有抗血栓功能。且試驗還發現，細胞可在支架上至少存活11 d。因此，該支架完全滿足心血管外科手術的要求。

3.1材料表面可濕性

聚左旋乳酸表面為疏水表面，故不利于細胞的黏附和增殖。Xu等[27]將輸尿管細胞外基質和聚左旋乳酸混合，再運用靜電紡絲技術制得一種生物性能良好的仿生輸尿管。試驗發現，輸尿管內皮細胞可以很好地在仿生輸尿管表面內皮化，因此，具有用于臨床移植手術的可能性。Wang等[28]運用靜電紡絲技術制造出具有可控3D結構的醇溶谷蛋白靜電紡材料。其通過控制頻率獲得了不同蛋白質結構的靜電紡材料，利用測量的表面接觸角評價材料的吸濕性，再通過種植纖維母細胞探究結構對細胞黏附的影響。結果表明，不同頻率紡制的四種靜電紡材料對細胞黏附的差異明顯，四種靜電紡材料接觸角分別為16.6°、39.4°、106.3°、38.7°，即表明它們可濕性不同，再經標記有熒光的牛血清白蛋白的黏附試驗發現，只有接觸角為106.3°的靜電紡材料表面有明顯的綠色熒光(采用激光共聚焦顯微鏡拍攝)，這說明材料表面的可濕性會影響細胞的黏附。

3.2材料表面孔徑尺寸及形貌

Macchetta等[29]在使用冷凍干燥法制備生物陶瓷骨骼的研究中發現，不同孔徑尺寸的材料對不同細胞的生長影響不同。當材料表面孔徑尺寸為5～15 μm時，成纖細胞可以很好地進行黏附；人類和哺乳動物的皮膚細胞更適合生長在20～125 μm孔徑的材料表面；成骨細胞更易長入孔徑尺寸為100～350 μm的多孔材料中。Shin等[30]運用靜電紡絲技術，通過控制紡絲參數獲得孔徑尺寸在200～300 μm 的聚己內酯人造骨骼，并進行了體外成骨細胞研究，結果發現：在研究范圍內(孔徑尺寸200～300 μm)， 孔徑的增加可令更充足的營養進入人造骨骼內部，從而使更多的成骨細胞在材料內部增殖分化；相反，孔徑越小，更多的細胞只會黏附于材料表面，這與Macchetta等人的研究結果一致。此外，Zhao等[31]通過控制不同的處理溫度(80、100、120 ℃) 和處理時間(30、60、90 min)，對具有二氧化硅/二氧化鈦涂層的生物材料表面進行處理，獲得具有微孔且孔徑隨處理時間和處理溫度的增加而逐漸變大的材料，并進行了體外細胞試驗，結果發現：在試驗范圍內，細胞在材料表面的增殖速率是逐漸增加的。Zhao等[32]構建了具有不同孔徑結構的POSS-PCU薄膜，并對這些薄膜進行了血液相容性試驗，掃描電鏡觀察發現：只有孔徑在2～5 μm的薄膜，紅細胞才可以很好地保持其原始形貌。這些都說明，孔徑尺寸不但會影響材料的細胞相容性，還會影響其血液相容性。

Yan等[33]通過控制接收器的轉速獲得了具有不同纖維線密度及孔隙率的靜電紡纖維膜(圖1)，并對其進行了細胞試驗。使用激光共聚焦顯微鏡拍攝纖維膜表面，計算材料表面及內部的熒光強度發現，隨著孔隙率的增大，材料表面的細胞數量逐漸減少、材料表面的熒光強度逐漸降低，而材料內部的熒光強度逐漸增加。這說明，隨著孔隙率的增加，細胞逐漸向材料內部生長。

圖1　纖維膜表面孔隙率與接收器轉速的關系

Mo等[34]利用靜電紡絲技術，通過控制紡絲液質量分數獲得了具有不同表面形貌的P(LLA-CL)電紡膜，選擇其中一個性能較好的膜進行體外平滑肌細胞和內皮細胞的黏附試驗，結果發現：同一材料表面，兩種細胞的黏附情況各不相同，故可推斷不同細胞對同種材料表面的黏附能力不同。因此，可通過改變材料表面的形貌來促進或阻止某種特定細胞對其表面的黏附。

綜上表明，多孔膜結構表面的孔徑尺寸對不同細胞的黏附影響是不同的。合適的孔徑有利于特定種類的細胞在其表面的黏附和增殖，而孔徑尺寸又會影響材料表面的形貌即微納米結構和粗糙度等。因此，材料表面對細胞黏附的影響是多方面的，可通過人為控制靜電紡纖維材料表面的孔徑，滿足不同細胞的黏附，但有關靜電紡纖維材料表面形貌與細胞行為之間的關系研究仍相對較少。

4結論和展望

靜電紡纖維材料的孔徑尺寸可控，材料具有良好的生物相容性。體外試驗發現，靜電紡纖維膜表面的形貌及孔徑分布會直接影響細胞在其表面或內部的生長與黏附?？讖捷^小時，細胞更易在纖維膜表面黏附，產品適用于血管材料；孔徑較大時，細胞會深入孔隙，產品可用于組織工程人造器官中。但相同形貌的材料表面，不同細胞對其的黏附情況又各不相同。因此，可針對特定細胞對靜電紡纖維材料的表面進行修飾和改造，促進或阻止該細胞的黏附。

目前，大量的工作都集中在對新材料的開發和研究方面，只有少量文獻提及靜電紡纖維材料的個別結構參數與細胞生長的關系，而系統的有關靜電紡纖維材料的結構如何影響細胞黏附和生長的模型仍未建立，故今后的研究可通過調控靜電紡纖維材料的表面及內部結構，并針對特定種類細胞進行，建立靜電紡纖維材料結構對該細胞生命活動影響的模型，為靜電紡生物材料的精準研究提供更科學的思路，這對生物材料的發展有著重要意義。

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The influence of electrospinning materials’ structure on cell proliferation

HuXingyou1, 2,ZhaoXinzhe1, 2,GaoJing1, 2,JinLun1, 2,WangLu1,2

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Shanghai 201620, China

Abstract:The relationship between the structure of electrospinning materials and cell proliferation was discussed by the combination of processing of electrospinning fiber membrane and application of electrospinning materials in the field of biomaterials, which provided some more scientific thoughts to precision research of electrospinning materials, and was meaningful to the development of biomaterials.

Keywords:electrospinning material, biomedical textile material, structure, cell proliferation

收稿日期：2015-12-07

作者簡介：胡星友，男，1991年生，在讀博士研究生，研究方向為紡織生物材料 通信作者：王璐，E-mail：wanglu@dhu.edu.cn

中圖分類號:TQ342+.87

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7093(2016)05-0001-05

*國家自然科學基金資助項目(81371648)；上海市教育委員會科研創新項目(ZX201503000017)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金(CUSF-DH-D-2016001)