静电纺丝制备的纳米纤维在骨组织工程中的应用*

郑惟嘉,王晓燕,白臻祖,姜 凯,黄 珊，柳 珑

(国防科技大学理学院生物与化学系，湖南 长沙 410073)

骨组织工程生物支架的三个主体部分可以概括为：支架材料、种子细胞及生长因子三大部分[1]。构建人体移植不排异的骨支架是骨组织工程研究的重点任务。支架可以提供细胞黏附、迁移、增殖的微环境，伴随生长因子的作用，可以更快地令缺损的骨组织再生[2]。组织工程中的生物支架往往都具有三维结构，可以为细胞吸收营养物质、增殖分化、代谢废物及细胞间的信息传递提供一定的空间；
同时为种子细胞分泌细胞外基质，提供一个有利于相应的组织或器官细胞生长与愈伤的良好微环境。理想的骨组织工程支架材料应具备以下条件[3]：①良好的生物相容性，避免使用有毒或者有致畸可能的材料制作生物支架；
②良好的机械强度与可塑性，与人体骨组织的机械强度和硬度越接近越好，以便支撑新生组织成形；
③疏松的孔隙结构，便于细胞完成黏附、增殖、分化以及促进骨组织修复的矿化等生命活动；
④优良的降解能力，随着组织的逐渐修复，支架应该缓慢地降解，以便在提供支撑后不影响组织的正常功能。

骨的主要成分是I型胶原与纳米羟基磷灰石的复合体[4]以及在其上生长的细胞。细胞外基质中富含胶原蛋白，其主要以纳米纤维(10～100 nm)的形式组成高孔隙率网状结构，能够对细胞生理过程进行调控。Yang等[5]研究发现，纳米纤维直径越小，其上生长的细胞分化程度就越高。纳米纤维支架可以作为细胞外基质的非生物替代品，为细胞的体外增殖、分化、矿化及细胞间信号通路提供更优质的环境。

使用静电纺丝方法制备的生物支架由直径基本均一的纳米级纤维丝堆叠组成，结构均匀，具有高孔隙率。纺丝时可以使用性质稳定、生物友好的高分子材料作为原料，同时可以添加具有促成骨效应的生长因子或无机盐，可促进骨细胞在支架上增殖分化，并进一步沉积成骨，因此在骨组织工程中前景良好，值得研究[6]。

1934年，Formhals[7]申请了一项专利，其内容是利用高压静电作为驱动力使用聚合物溶液像蚕吐丝一样生成纤维的实验装置的创造。专利公布了通过装置让聚合物溶液在电极间产生射流的技术，第一次具体描述并解释了静电驱动制备纤维装置，标志着电纺纤维技术研究的开始[6]。

其后的六十年间，电纺技术发展很缓慢，有时几乎处于停滞，研究者大多为装置本身所束缚，期间专利发布数量较多，也没有得到太多关注。直到20年前，美国阿克隆大学Reneker研究小组[8]对电纺工艺和应用产生了兴趣，不仅对电纺纤维做了电镜扫描，还进行了电子衍射实验。用静电纺丝技术从各向同性溶液中纺制的小直径聚对苯二甲酰对苯二胺(poly-p-phenylene terephthamide, PPTA)纤维显示出优异的有序性，与从液晶状态纺制的商品化PPTA纤维相似。这些细纤维具有热稳定性。退火后，其晶体结构开始转变，即PPTA在低浓度溶液中凝聚的特征。电镜显示了纤维中微晶的部分形态和排列。Reneker研究小组还运用原子力显微镜图像提取粗糙度参数，并发现这些参数可用于改善加工条件。

近年来，纳米技术逐渐进入到研究者们的视野中，静电纺丝技术也跟随纳米技术逐渐在科研领域和工业应用中占有一席之地。静电纺丝技术的发展过程被大致总结为以下四个研究阶段：①聚合物的电纺能力以及工艺和参数调节与纤维直径、性能的关系和优化等[9]；
②多样化材料制备电纺纤维及如何精准控制其结构[10]；
③电纺纤维在资源[11]、环境[12]、医疗[13]、光电[14]等领域的应用；
④电纺纤维的量产[15]。

静电纺丝设备主要由高压直流电源、数字注射泵和收集器三部分构成[16]。静电纺丝是带电聚合物流体以高压静电场作为驱动力产生射流形成纤维的技术[17]。液滴从针尖中被挤压而出，暴露在针尖和收集器之间的静电场中。通过电场作用，液滴形成指向收集器的尖峰，以泰勒锥的形式向收集器进一步延伸，延伸过程中直径不断缩减，最终制备得到纳米纤维[18]。

静电纺丝技术制备的聚合物纤维具有纳米级形貌和孔隙率高的特性，具有类天然细胞外基质的性质，所以能够促进细胞生长及其它生理过程[19]。这一优点使得静电纺丝技术在骨组织工程中被广泛应用。本文根据静电纺丝溶液特点和制备方式的不同将其分为溶液静电纺丝、掺杂静电纺丝、同轴静电纺丝，这几种纺丝对骨组织修复有不同程度和类别的促进作用。近年来静电纺丝技术与骨组织工程的结合正蓬勃发展，方兴未艾，是十分值得调研和研究的领域。

2.1 溶液静电纺丝

溶液静电纺丝法是一种初级的，高效率连续制备纳米纤维的重要方法。和熔体、熔喷纺丝法相比，溶液电纺的纤维直径更小更均一，应用更广泛[20]。单一组分或多个组分直接混合成溶液作为原料电纺成纳米纤维，用于组织工程，这一方法在过去的研究中已经进行了广泛的尝试。如聚ε-己内酯(polycaprolactone，PCL)[21]、聚己内酯/聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)[22]、海藻酸钠(sodium alginate, SA)/聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)[23]、丝素蛋白(silk fibroin, SF)[24]、再生丝素蛋白/甲酸(formic acid, FA)/壳聚糖(chitosan，CS)[25]、聚乙烯醇/水性聚氨酯(water polyurethane, WPU)/水溶性尼龙[20]以及猪骨脱细胞基质/左旋聚乳酸(L-polylactic acid, PLLA)[26]等都是较为常见的用于溶液静电纺丝的材料。这些直接由单一或复合溶液作为材料纺丝得到的支架部分由于理化性质单一，不足以对组织细胞的体外生理过程有促进作用；
部分由于机械强度较弱，难以在组织修复过程前期提供较好的支撑；
或者是由于支架孔隙过小，给组织细胞的粘附和生长增加了难度[27]。基于这些基础研究，近些年陆续有对纺丝方法改进和对制备的静电纺丝材料进行后续修饰处理的方法等相关文章发表。将改性后的材料用于静电纺丝制备三维支架或是直接对制备好的纳米纤维膜进行改性等都是很好的发展方向。

薛钱华等[28]首先电纺出再生SF/聚乳酸纳米膜，其上纤维无规则排列。甲醇改性处理后，纤维变得形貌良好、质地坚固，是因为丝素蛋白被甲醇处理后，其二级结构从无规向有序转变并获得了较好的力学性能。其还将高速旋转的滚轴用来收集制备的纳米纤维膜。结果显示，收集装置的转速与纤维的取向程度成正相关，并与纤维直径成负相关。还可将制备的支架研磨破碎，并进行热诱导，再退火冷却，使支架结构变得更加疏松多孔[29]；
氧气或氮气的等离子体处理改性，能够有效促进矿物质的沉积[30]；
浸入金属离子溶液中制得均匀的涂层，可为矿化提供成核位点，同时提高支架的机械强度[31]。通过改性的溶液静电纺丝性能得到很大的提升，但仍然难以满足细胞生长的各方面需求。向溶液中掺杂对细胞有促进作用的生长因子和各种无机盐不失为一个很好的解决方案。

2.2 掺杂静电纺丝

对细胞有促进作用的生长因子种类有很多，在电纺纤维膜过程中进行适当添加有助于支架与生物体的适配。Abazari MF等[32]人设计并制备了碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)与聚己内酯/聚偏氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)功能性纳米纤维支架。并通过诱导性多能干细胞培养，通过对照实验，证明在bFGF支架上的诱导性多能干细胞能更多地存活，分化和矿化程度也更高。基因和蛋白质表达的实验结果也证明了含bFGF的支架具备更好的成骨促进作用。此外，还有机械生长因子(mechano-growth factor，MGF)[33]、表面重组人生长因子(DOPA-IGF1)[34]、地塞米松(DEX)[35-36]、固定化表皮生长因子(EGF)[37]等生长因子以及多种生长因子的复合体也可以负载在电纺纤维膜上作为骨组织工程生物支架。

在静电纺丝掺杂中应用最广泛的金属无机盐之一是钙盐。骨骼的生长依赖于钙离子的含量，人体摄入的钙99%都用于骨骼和牙齿的生长、发育和修复。静电纺丝掺杂加入钙类无机盐有利于促进成骨细胞的增殖分化。过去的研究便有在支架中加入纳米羟基磷灰石颗粒(nanohydroxyapatite, NHA)的先例，不仅大幅提高弹性模量，而且可以提高细胞的粘附和代谢活力[38]，以及以明胶羟基磷灰石(HA)通过交联、静电纺丝制备的纤维支架为材料研究成骨细胞的组织工程化[39]、乳酸钙/醋酸纤维素的电纺支架[40]等。Arslan Aysu等[41]人将非晶态羟基磷灰石(HAp)和掺硼羟基磷灰石(B-HAp)纳米颗粒以5%的比例包覆在三维聚己二酸丁二醇酯(polybutylene adipate, PBAT)纤维支架中，增加了支架的成骨活性。另外，Shafiei Shervin等[42]人发现/在聚己内酯/聚乙烯醇纳米复合材料中单独添加1%的碳点(CDs)和蛋壳型磷酸钙(TCP3)可显著提高碱性磷酸酶活性和细胞增殖率。

在骨修复的过程中，除钙以外，许多其它金属元素对成骨分化也起着非常重要的作用，例如掺锶和铜[43]的电纺生物活性玻璃纤维可显著提高成骨细胞的表型，同时抑制破骨细胞的活性[44]；
多壁碳纳米管(f-MWCNTs)和氧化锌(ZnO)纳米粒子静电纺支架具有抗菌活性和细胞相容性[45]；
电纺制备以伊兰依兰(YY)和硝酸锌[Zn(NO3)2]为添加剂的聚氨酯(PU)纳米纤维，可显著改善PU的抗凝血性和生物相容性[46]；
使用氧化镍纳米颗粒与花生油复合，制备静电纺聚氨酯(polyurethane, PU)支架，对纤维形态、润湿性、热行为、表面粗糙度和矿物沉积有显著的影响，显示了其对骨再生的多功能性[47]。

其它非金属元素的无机盐掺杂对成骨的促进作用也有相关研究。例如，纳米生物活性玻璃(nBGs)涂层聚乳酸(PLLA)支架纳米纤维[48]、聚-β-羟丁酸(PHB)/壳聚糖/纳米生物玻璃(nBG)复合支架[49]以及氧化石墨烯(CA)掺杂醋酸纤维素的纳米纤维支架[50]等在骨组织工程领域皆有相关研究。Moonesi Rad R等[51]人还研制了新型7%硼改性生物活性玻璃(7B-BG)，溶剂浇铸法得到醋酸纤维素(CA)层，电纺制备CA/明胶/BG纳米颗粒功能梯度层，对细胞钙沉积有促进作用，且较为显著。

2.3 同轴静电纺丝

同轴静电纺丝是在传统的静电纺丝的基础上进行了升级的技术。传统静电纺丝的单一喷丝头被替换成两个共轴的毛细管，两个毛细管分别输出不同的溶液，可以得到具有核鞘结构的纤维。由于两个共轴的毛细管输出的溶液不同，可以将多种不同或相同功能的材料进行组合，从而得到更多不同功能的核鞘结构纤维，且它们都具有内外不同的理化性质，相较于均一电纺纤维在多个方面更具有优势，如功能更好、机械性能更强、性质更稳定等，从而具有更广泛的应用范围。同轴电纺还可以改进难纺聚合物的可纺程度，比如黏度大的、可纺性好的聚合物作外壳包裹可纺性差的聚合物。难以电纺的鞘层聚合物溶液被壳层聚合物溶液带动，比单独的难纺聚合物更加容易延伸成丝[52]。同轴电纺最初在2002年首次提出并被用于制备具备核鞘结构的纳米纤维[53]。核鞘结构具有更好的药物封装能力和缓释能力[54]，因此在骨组织工程中也有着广泛的应用，并取得显著的成效。

研究表明，SF和聚乳酸-ε-己内酯(poly(lactide-co-ε-caprolactone), PLCL)均不易引起排异且降解能力较强。相比较而言，两种材料也有一定的差异，SF的细胞亲和力优于PLCL，而PLCL的断裂强度和伸长率优于SF。Liu等[55]人将PLCL溶于六氟异丙醇(hexafluoroisopropanol,HFIP)和甲酸(CH2O2)、HFIP和HFIP-二氯甲烷中，将其作为核溶液，SF溶解在HFIP中，将其作为鞘溶液，再同轴电纺制备核鞘结构的纤维。进行透射电镜图像发现纤维存在核鞘结构；
进行拉伸试验则发现该纤维具有更好的拉伸性能，其强度和伸长率明显高于纯SF纤维。且进一步研究表明该纤维允许细胞粘附、增殖和扩散，且细胞在其上生长方式与纯SF纤维相似。以PLCL为核，SF为鞘的同轴电纺纤维能在不影响SF的生物活性的情况下填补了SF力学性质的不足，且具有明显促进血管组织生长与修复的能力，进而辅助骨组织修复，是极佳的组织工程支架；
Hu等[56]同轴电纺制备核鞘型聚乳酸(polylactic acid, PLA)/PCL-BMP2(PP-B)纤维支架，集成了有骨传导性的无机相与可诱导骨生长的生长因子，对骨修复具有协同作用。而将羟基磷灰石与明胶-壳聚糖共混制备的核鞘结构的纤维膜能够模拟细胞外基质的有机成分，相较于纯羟基磷灰石矿化效率更高，从而进一步促进骨组织生长与修复[57]。

综上所述，静电纺丝近10年正值蓬勃发展时期，涌现出了许多先进的技术和新颖的想法用于制备电纺纳米纤维，并将其运用到骨组织工程中。用于骨组织工程的静电纺丝技术不再局限于单一组分和扁平结构的构建，而是向多组分、复杂结构的方向发展，虽然材料使用的范围非常广，但始终围绕着理想支架的条件展开，致力于避免生物毒性以及产生排异，提高孔隙率、降解能力，构建适宜的机械强度，以便最大程度适应骨组织修复需要，但就目前的研究情况来看，很少能有同时满足多个条件的材料及制备方法，未来仍然会有许多相关研究。相信随着对电纺复合纤维的不断探索，能够发现更好的材料及制备方法，能够同时满足多个条件，从多个方面协同促进骨修复过程，电纺制备纳米纤维与骨组织工程相结合这一研究方向才会有质的飞跃。