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上海交大崔文国《AM》:用于组织修复的内源性电场耦合电纺短纤维,实现精确组织修复,中国化工网,okmart.com
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上海交大崔文国《AM》:用于组织修复的内源性电场耦合电纺短纤维,实现精确组织修复
2022年01月17日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

内源性电场(Endogenous electric fields, EF)是生物电信号传导的基础,在组织再生和伤口修复中发挥着极其重要的作用。目前,为了模拟创面内源性EF,加速组织再生,研究人员开发了一系列功能性电极,通过外电刺激(ES)刺激巨噬细胞、中性粒细胞、角质形成细胞的迁移,进一步加速创面愈合然而,外源性电刺激的应用需要使用外部电子设备,导致缺陷组织被动修复,给患者带来不便。因此,根据组织损伤部位,开发能够主动将内源性EF与损伤组织的创面修复结合起来的功能材料是十分重要的中国化工网okmart.com


上海交通大学医学院崔文国课题组近期通过将短纤维引导成3D网络结构并随后进行多功能修饰,构建了具有早期生物液收集、耦合内源性EF响应功能的3D仿生短纤维支架。该支架具有快速的可逆吸水性,仅30秒后吸水性达到最大值。聚多巴胺-还原氧化石墨烯的稳定均匀分布使支架在长期浸泡后仍具有稳定的电性能和力学性能。该支架通过收集创面修复早期的大量分泌物,并传递生物电信号,主动匹配组织修复相关的级联反应,实现精确的组织重塑。由于其独特的仿生结构和组织亲和力,该支架进一步发挥了“电子皮肤”的作用,通过吸收伤口渗出物传输内源性生物电,促进糖尿病伤口的治疗。此外,在内源性EF作用下,血管内皮生长因子的级联释放加速了愈合过程。因此,该多功能支架有望成为修复不同缺损组织尤其是电敏感组织的理想候选材料。相关研究以“Endogenous Electric-Field-Coupled Electrospun Short Fiber via Collecting Wound Exudation”为题发表在《Advanced Materials》上。

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图1. 支架材料的制备与表征

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图2. 吸水性和电性能


支架的制备与表征

图1展示了具有电导性和吸水性的3D NS-rG@VEGF设计流程:静电纺丝、纳米纤维均质、交联成型、氧化石墨烯改性、PDA氧化还原以及脂质体负载。NF支架原本是白色的二维纤维膜,纤维定向随机,经过一系列处理后,形成了NS支架独特的3D形态和高厚径比。GO和PDA修饰后,白色的NS由棕色变为黑色,说明在NS支架上成功修饰rG (图1C)。SEM图像显示,所有支架均呈现随机取向纤维组成的纤维结构,与天然ECM高度相似。其中,NF和NS表面均匀、光滑,NS-rG和NS-rG@VEGF纤维表面明显粗糙、呈颗粒状(图1D)。NF膜的孔隙率为67.8%,当2D膜被模压成3D海绵时,孔隙率增加到93.8%(图1F)。

支架的高吸水率促进了组织再生,这主要是由于有效收集了伤口中多余的生物液,减少了感染。NS-rG@VEGF在水浸泡后迅速吸水(图2A),显示出弹性,受外力压缩后几乎可以恢复到原来的圆柱形(图2B),而且所有支架在接触水后1 min内均可达到最大吸水膨胀(图2D)。此外,当压缩力释放后,这些支架在水中浸泡后会吸水,并恢复原状。6次压缩循环后,支架的最大吸水率变化不明显,表明支架具有可逆的吸水性能。这些支架的电导率如图2I所示。与无法检测到的纯NS相比,NS-rG和NS-rG@VEGF支架的电导率显著增加。此外,NS-rG@VEGF支架在湿态下表现出高导电性(图2K),这意味着NS-rG@VEGF能够响应内源性EF传递生物电信号,并在吸收伤口渗出液后保持长期稳定。

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图3. 支架的体外生物相容性和抗菌性能


成纤维细胞的增殖、浸润和胶原分泌

研究人员进一步研究NS、NS-rG和NS-rG@VEGF支架对L929细胞成纤维细胞生物学行为、生物相容性、增殖、浸润和胶原分泌的影响。如图3A所示,各组细胞数量均随培养时间的增加而增加,说明这些支架不具有细胞毒性。如图3B、F所示,细胞可随孔隙向支架内部渗透,其中NS-rG@VEGF支架细胞生长数量最多,其次是NS-rG和NS。这些结果证实,与NS和NS-rG相比,NS-rG@VEGF支架不仅能进一步加速细胞生长,而且能更好地促进细胞迁移和浸润。

石墨烯及其衍生物,包括氧化石墨烯和rG,表现出良好的抗菌性能。如图3D所示,与对照组和NS组相比,NS-rg和NS-rG@VEGF在每个时间点的细菌几乎可以忽略不计,在24 h时NS-rg和NS-rG@VEGF对金黄色葡萄球菌的抑菌率均在99%以上(图3I)。

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图4. HUVECs的增殖、形态和血管生成

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图5. 糖尿病创面愈合的体内研究

小结:这项研究创新性地采用短纤维模塑和化学改性相结合的方法制备了一种具有良好的吸水性和导电性的仿生三维NS-rG@VEGF。仿生ECM和独特的多巴胺- rG修饰支架可以附着在组织缺损表面。多孔结构和较好的机械稳定性赋予支架可逆性吸水性,促进了渗出物的吸收。当与生物液体接触时,具有良好细胞/组织亲和力的支架能够高效地将内源性EF传递到细胞和组织中。在支架中添加装载VEGF的脂质体有助于内源性EF调控VEGF的释放,促进这些区域的积极伤口愈合。随后,该支架在慢性创伤模型中进一步验证它可以在早期收集分泌物,传输生物电信号,并主动匹配组织修复级联以精确的组织重塑。


标签:化工应用技术中心今日头条生物化学生物制药
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