2016年11月11日 星期五 09:15:33
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借鉴“王莲“分支结构开发出用于伤口管理的径向纳米纤维补片

发表时间:2021/11/16

皮肤创伤治疗是医疗管理中最基本的问题之一。由纳米纤维组成的用于伤口护理或愈合的功能性补片可赋予复杂形状和人体之间的柔顺接触,且其被证明能够有效促进细胞迁移和组织再生,这对于临床应用具有重要意义。然而,纳米纤维补片抗破裂强度差一直是阻碍其实际应用的主要障碍。此外,目前的治疗主要依靠补片的被动愈合,其很少参与内源性再生的主动刺激。因此,开发具有良好抗破裂强度和强大内源性细胞募集能力的多功能补片迫在眉睫。

鉴于此,东华大学团队受睡莲科植物王莲径向分支结构启发,提出了一种用可编程的策略来构建径向组装的纳米纤维补片,该结构具有快速部署特性和强大的抗破裂承载能力,可促进其在四肢关节创伤中的应用。此外,由于基质金属蛋白酶MMP-9触发GelMA涂层降解,该补片将在炎症微环境中被赋予“按需”抗炎药物递送,而基质细胞衍生因子(SDF1α)“中心-外周”梯度变化可刺激间充质干细胞(MSC)向病变部位募集。相关研究以“Programmable Building of Radially Gradient Nanofibrous Patches Enables Deployment, Bursting Bearing Capability, and Stem Cell Recruitment”发表在了《Advanced Functional Materials》上。



为排列纳米纤维组件,研究团队设计了由外围环形电极和图案化针电极组成的收集器。目前,针电极的布置仍面临严峻挑战。本研究采用的可编程印刷电路结合针焊技术被用于精确控制电极位置和图案。其利用电场引导的带电纤维射流在针状电极之间拉伸,得到了纳米纤维的定向沉积,创建一系列具有不同纳米纤维图案的补片,分别命名为随机纤维补片(RF)、梯度纤维补片(GF-1、GF-9和GF-25)。其中,GF-9补片呈现出由径向排列的纳米纤维组成的分支层次结构,类似于王莲。


径向排列纳米纤维补片开发


补片在体液中的快速展开能力对于其实际应用于伤口是至关重要的。研究人员首先研究了RF、GF-1和GF-9在水中的自展开特性。RF补片无法展开而大面积重叠;GF-1和GF-9迅速展开,特别是GF-9补片可在2s内恢复到初始状态。补片在关节上的应用提高了对愈合过程中承受载荷的破裂和拉伸能力的要求。冲击试验结果显示,GF-9和GF-25补片的冲击强度显著高于RF补片,分别为4.6和4.8N,且拉伸应力-应变曲线表明,GF-9和GF-25纤维补片分别具有16.5和17.0MPa较高机械强度。


补片在水中的自展开特性


GF补片材料机械性能


随后,将SDF1α接枝到聚己内酯/胶原(PCL/Col)补片上,以形成梯度固定化,并制备结合抗炎药双氯芬酸钠(DS)的GelMA(甲基丙烯酰化明胶)水凝胶涂层。皮肤损伤后炎症部位MMPs(基质金属蛋白酶)的过度表达可以将明胶水解为多肽和氨基酸,将刺激“按需”输送抗炎药,并且独特的支化梯度纳米纤维结构赋予了SDF1α从“中心-外周”逐渐释放的性能,为MSC募集提供条件。


药物释放设计


为了在体外证明细胞迁移,将MSC选择性地种植在贴片的周围区域,以模拟周围健康的皮肤组织,并创建中心间隙以模拟伤口缺损。培养7天后,在具有随机取向纳米纤维甚至SDF1α释放的RF贴片上,稀疏细胞从周围区域迁移到圆形垫的中心。相反,对于SDF1α“中心到外围”梯度释放嵌入在排列的纳米纤维上的GF-1和GF-9贴片,中心区域出现更多的细胞,并且从外围到中心的最大迁移距离更长。这些观察结果支持整合排列的纳米纤维形貌和梯度趋化因子线索协同地将MSC从外围细胞池定向到中心区域。


MSC迁移


在利用小鼠全层皮肤切口模型中评估伤口愈合能力时,与传统敷料纱布和商业化现代敷料替加德姆薄膜(3M公司)相比,纳米纤维垫的伤口闭合速度明显加快。此外,SDF1α/GF-9和SDF1α/DS/GF-9纤维补片的治疗效果比GF-9纤维垫效果更好,在12天后仅观察到极微小的剩余伤口区域,表明SDF1α和DS的释放对伤口愈合有积极影响,显示出优越的伤口闭合率。



小鼠体内实验


(来源:高分子科学前沿)