一种模拟骨骼肌结构的新型纤维—水凝胶复合支架的制备及应用

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日期:2015-11-06 20:51:25   本站原创   人气:5211
来源:学位管理与研究生教育处(省政府学位委员会办公室)
 成果简介

促进骨骼肌细胞三维生长和肌管形成是骨骼肌组织修复和再生的难点问题。 本研究提出一种新的解决方案, 采用取向的纳米纤维束和光固化水凝胶相结合的方法制备出一种模拟正常骨骼肌组织的新型纤维-水凝胶复合支架,这种复合支架材料的纳米纤维束结构可起到促进骨骼肌细胞的三维取向和分化的作用, 而光固化水凝胶则为骨骼肌细胞的生长及营养传输提供了一个合适的三维环境。 该复合支架充分模拟了正常的骨骼肌组织结构,为骨骼肌组织修复提供了崭新的思路。基于该研究成果,申报人和主要完成人在国际纳米材料领域权威期刊 ACS Nano (影响因子 12.881)上发表题为“Nanofiber Yarn/Hydrogel Core-Shell Scaffolds Mimicking Native Skeletal Muscle Tissuefor Guiding 3D Myoblast Alignment, Elongation, and Differentiation”的论文 。

成果内容提要

骨骼肌直接控制着力量的形成和运动的发生,是人体进行所有的身体活动的基础。通常来说,一般的骨骼肌损伤可以通过激活其卫星细胞来实现自我修复。然而,由于先天性缺陷、 严重外来创伤或者肿瘤等各种原因则会导致骨骼肌不可逆的缺损和永久性的功能丧失。 近年来, 组织工程技术是被广泛地用来研究骨骼肌修复及再生的一种新途径,而组织工程支架则在诱导和控制组织再生的过程中起到十分重要的作用。 骨骼肌组织是由若干根取向的肌纤维构成的一种高度取向的组织。 而正是由于肌纤维的特殊取向结构, 使得骨骼肌组织可以通过肌纤维的收缩完成力量的形成和运动的产生等等生命活动。因此,制备模拟成熟骨骼肌组织的组织工程支架,在三维环境下可以诱导骨骼肌细胞取向生长并进行取向分化, 是实现骨骼肌的功能性再生及骨骼肌修复领域的热点。

近些年来,利用化学、物理方法或图案化处理形成的各种微结构,例如纤维,沟壑, 凹坑等微结构被证实可以控制细胞在二维环境下细胞的取向生长。 在这些技术中,由于静电纺丝制备的取向纤维结构有利于诱导取向肌管形成, 使该技术在骨骼肌组织再生领域被广泛研究。尽管如此,因为致密的纤维网状结构和厚度的限制,细胞难以渗透和迁移进入纤维网格内部, 从而使得静电纺丝的取向纤维只能在二维环境下控制细胞的定向生长。 因此, 制备出能诱导细胞三维取向生长及肌管形成的组织工程支架骨骼肌再生领域的难点。

此外, 有研究者利用冷冻干燥和相分离相结合的技术制备出具有取向孔洞结构的三维组织工程支架来促进肌管的取向生长。但是这些取向孔洞之间往往是不相通的,从而极大的阻碍了细胞的均匀分布和迁移, 使得三维肌管的生长变得十分困难。 为了解决这个问题, 有研究者使用水凝胶支架来包裹细胞, 使得细胞能在这种类似于细胞外基质的环境中来进行三维的生长。 同时, 利用机械外力来对水凝胶进行定向拉伸还

能实现肌管的三维取向生长。 然而困难的拉伸操作和复杂的机械设备要求, 使得这种方法难以在临床上进行大规模应用。 因此如何设计简便高效的组织工程支架模拟正常骨骼肌组织来诱导三维细胞取向生长和肌管取向形成, 依然是一个急于解决但研究甚少的问题。

在我们的工作中, 我们使用取向的纳米纤维束和光固化水凝胶相结合的方法制备出一种模拟正常骨骼肌组织的新型纤维-水凝胶复合支架,这种复合支架材料的纳米纤维束结构可起到促进骨骼肌细胞的三维取向和分化的作用, 而光固化水凝胶则为骨骼肌细胞的生长及营养传输提供了一个合适的三维环境。 取向的纳米纤维束是由聚己内酯(poly-carprolactone, PCL) ,丝素蛋白(silk fibroin, SF)和聚苯胺(polyaniline,PANI)混合后利用改进的干湿法静电纺丝形成的。而光固化水凝胶则选择的是本课题组报道过的一种生物相容性良好的光固化水凝胶( poly(ethylene glycol)-co-poly(glycerol sebacate), PEGS-M) ,这种水凝胶被证实可以长时间维持包裹细胞的生物活性。 随后我们制备出一系列不同直径的纳米纤维束包裹在不同直径的水凝胶的复合支架来实现对骨骼肌组织的再生可控化。为了证实这种新型纤维-水凝胶复合支架对于三维细胞取向和三维肌管极性生长的诱导作用, 我们将小鼠成肌细胞接种在支架上研究细胞的三维取向及成肌分化。 经过研究证实, 直径为 100 微米的纳米纤维束可以更好的诱导细胞取向,并具有更高费雷特比例。而通过纤维层叠技术,不但可以得到一层具有一定间距的纤维束的复合支架, 更可以得到多层纤维束的复合支架从而更进一步的模拟骨骼肌复杂的三维取向结构,这同时也表明该纤维-水凝胶复合支架具有很好的操控性。不仅如此,在经过 7 天培养后,小鼠成肌细胞在复合支架中分化形成具有和纳米纤维束相同取向的三维成熟肌管结构, 证实了复合支架可以促进三维肌管形成和极性生长。

综述所述, 我们设计了一种充分模拟成熟骨骼肌的结构, 可以促进三维细胞取向和三维肌管极性生长的纤维-水凝胶复合支架,由于该复合支架制备简单、操控性好,并能充分模拟骨骼肌的取向结构和有效的促进三维细胞生成和肌管形成等优点, 我们相信未来该纤维-水凝胶复合支架能在骨骼肌再生领域得到很好的应用。

 

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