静电纺材料结构对细胞生长的影响*

胡星友　赵新哲　高　晶　金　伦　王　璐

1. 东华大学纺织学院，上海 201620 2. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620



静电纺材料结构对细胞生长的影响*

胡星友1,2赵新哲1,2高晶1,2金伦1,2王璐1,2

1. 东华大学纺织学院，上海 201620 2. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620

摘要：结合静电纺纤维膜的制备工艺，以及目前静电纺材料在纺织生物材料领域的应用，系统探讨静电纺材料的结构与细胞生长之间的关系，为静电纺生物材料的精准研究提供更科学的思路，这对生物材料的发展具有重要意义。

关键词：静电纺材料， 纺织生物材料， 结构， 细胞生长

随着组织工程医学技术的迅速发展，传统生物材料(如陶瓷、不锈钢等)因制造工艺复杂、生物相容性较差及不可降解等缺点，逐渐被越来越多的具有良好生物性能的新型生物材料所代替，用于替换人体内病变或坏死的组织。

静电纺纳米纤维比表面积高，纤维膜成分、孔径和形状皆可调控，可根据实际需要生产不同特性和功能的纤维。因此，静电纺生物材料成为了生物材料领域研究的热点，其在临床各领域具有极大的应用潜力。如：使用可降解高聚物——聚己内酯(PCL)静电纺制小口径人造血管，用来替换人体内因静脉曲张或血栓而导致功能障碍的小口径血管；使用胶原和壳聚糖混纺出具有抗菌性且能促进伤口愈合的静电纺纤维膜，用作伤口敷料[1]。此外，近年的研究还表明，生物材料的组织结构和表面形态会影响细胞在其表面和内部的生长。因此，对静电纺生物材料的研究不应只停留于其生物毒性及机械性能方面，而是更应注重其结构与细胞生长之间的关系，以期通过控制生物材料的结构使人体更好地适应生物材料，从而达到促进治疗的目的。

1静电纺丝技术

静电纺丝技术是近年发展较快的制备纳米纤维的一种重要方法，其利用带电高分子熔体或溶液在高压静电场的作用下，经喷射、拉伸、溶剂挥发及固化，形成纳米纤维。静电纺纳米纤维具有很高的比表面积、可控的孔径和良好的延展性，可被加工成各种不同的长度与形状[2-4]。此外，其原料成分可控，故可根据需要制得不同特性和功能的静电纺纳米纤维材料[5]。

在生物医学材料领域，静电纺超细纤维膜除具有上述优异特性外，还在一定程度上拥有仿生细胞外基质(ECM)的结构和生物学功能，可为细胞的黏附、增殖和分化提供理想的微环境[6]，故可作为外植体用于替换人体内产生病变的组织或器官。

纤维膜的性能通常与其结构相关。调控和优化静电纺纤维及其集合体的结构可改变纤维膜的性能，大幅扩大纤维膜材料在生物医学领域的应用范围。一般而言，简单静电纺丝设备获得的纤维集合体是由排列无序的纤维堆积而成的。改变静电纺丝的接收装置、电场、磁场等可获得取向排列的纤维集合体。这种纤维集合体的轴向力学强度高、尺寸稳定性好，已在组织工程方面表现出很高的应用价值。此外，还可通过调控电场、纺丝液性质、环境温湿度等获得具有二维蜘蛛网状结构的纤维膜。这种纤维膜的网孔大多以稳定的六边形结构存在，比表面积大、吸附性能好、力学性能稳定，在生物医学领域具有很大的应用前景[7]。

除了纤维集合体形态各异外，组成纤维集合体的单根纤维结构也很多样，如常见的有珠粒或圆形实心纤维，特殊的有带状、螺旋状、多芯、核-壳结构或中空结构的微/纳米纤维。此外，静电纺丝法还可制备出多组分聚合物复合纳米纤维，即可实现不同聚合物功能的复合，还能弥补单一聚合物在化学或结构方面与人体组织不相容的不足。调节各组分之间的质量配比，还可改变纤维的力学性能、生物活性及降解行为，以满足不同生物材料的要求[8]。当前，制作多组分纤维的方法主要有共混静电纺丝法、多喷头静电纺丝法、多层和混合静电纺丝法、同轴静电纺丝法等。其中，同轴静电纺丝可制得核-壳结构静电纺纤维，此种纤维可同时具有两种聚合物的性能，如若纺丝液只用于外层，则最后可得到中空管状纤维。核-壳结构静电纺纤维近年在药物缓释体系、组织工程支架、载药医用敷料和缝合线等生物医学领域引起了广泛的关注[9-11]。

2常用静电纺高聚物及应用

常用静电纺原料有多糖类生物高分子聚合物、蛋白类生物高分子聚合物和核酸类生物高分子聚合物等，其中壳聚糖、丝素蛋白和胶原等在医用静电纺生物材料领域应用最为广泛[12-13]。

Wnek等[14]以六氟异丙醇为溶剂，通过添加少量必要基质制成混合液，再进行静电纺丝，得到纤维直径在80～700 nm的纤维蛋白原纳米纤维膜。该膜可用作组织支架或伤口敷料。

Khil等[15]采用静电纺丝技术制成了一种聚氨酯纳米纤维膜。该膜具有很高的孔隙率和极小的孔径，可很好地阻隔外界病菌穿过纤维膜表面。由这种聚氨酯纳米纤维膜制成的伤口敷料，可很好地与皮肤黏附，且吸收性强，能避免渗出物于患处大量聚积，对伤口愈合有促进作用。

Wang等[16]使用壳聚糖和聚氧化乙烯，通过静电纺丝技术嵌入纳米银离子，纺制出抗菌性能良好且生物相容性优秀的静电纺纤维膜。在利用戊二醛交联获得较好的尺寸稳定性后，再使用生物黏合剂将该静电纺纤维膜与基布黏合在一起，可用作伤口敷料。

目前，静电纺技术在组织工程中得到了广泛的应用。众所周知，聚氨酯有着良好的生物相容性和机械性能，但缺少细胞亲和力。而聚乙二醇有着良好的生物相容性，可用于聚合物表面亲水改性。Wang等[17]曾尝试利用静电纺技术将聚氨酯/聚乙二醇共聚物制成小口径人工血管，并对其生物相容性和机械性能进行评价，结果表明聚氨酯和聚乙二醇的质量配比会影响小口径人工血管的机械性能及细胞的黏附性能。

3静电纺纤维膜(材料)结构对细胞生长的影响

有研究表明，生物材料表面的亲疏水性及其形态，包括粗糙度、孔隙率和结构等，都会影响细胞的黏附、增殖及迁移[18-22]。因此，细胞的行为会因材料表面的不同而发生改变。静电纺纤维材料拥有较高的比表面积和相互缠结的纤维结构，且其表面和内部空间结构会因工艺参数的不同而形成巨大的差别，尤其是静电纺纤维材料表面的孔径尺寸，其可通过人为改变纺丝参数获得微米级或纳米级的孔径[23-25]。

Zhang[26]制造了一种双层静电纺纳米纤维膜结构支架，其由聚乙酸内酯、聚卡普隆、弹性蛋白和明胶组成，纤维直径平均为600～1 400 nm。支架经7 d体外细胞试验发现，人体动脉内皮细胞几乎全部黏附，而血小板无黏附，表明该支架具有抗血栓功能。且试验还发现，细胞可在支架上至少存活11 d。因此，该支架完全满足心血管外科手术的要求。

3.1材料表面可湿性

聚左旋乳酸表面为疏水表面，故不利于细胞的黏附和增殖。Xu等[27]将输尿管细胞外基质和聚左旋乳酸混合，再运用静电纺丝技术制得一种生物性能良好的仿生输尿管。试验发现，输尿管内皮细胞可以很好地在仿生输尿管表面内皮化，因此，具有用于临床移植手术的可能性。Wang等[28]运用静电纺丝技术制造出具有可控3D结构的醇溶谷蛋白静电纺材料。其通过控制频率获得了不同蛋白质结构的静电纺材料，利用测量的表面接触角评价材料的吸湿性，再通过种植纤维母细胞探究结构对细胞黏附的影响。结果表明，不同频率纺制的四种静电纺材料对细胞黏附的差异明显，四种静电纺材料接触角分别为16.6°、39.4°、106.3°、38.7°，即表明它们可湿性不同，再经标记有荧光的牛血清白蛋白的黏附试验发现，只有接触角为106.3°的静电纺材料表面有明显的绿色荧光(采用激光共聚焦显微镜拍摄)，这说明材料表面的可湿性会影响细胞的黏附。

3.2材料表面孔径尺寸及形貌

Macchetta等[29]在使用冷冻干燥法制备生物陶瓷骨骼的研究中发现，不同孔径尺寸的材料对不同细胞的生长影响不同。当材料表面孔径尺寸为5～15 μm时，成纤细胞可以很好地进行黏附；人类和哺乳动物的皮肤细胞更适合生长在20～125 μm孔径的材料表面；成骨细胞更易长入孔径尺寸为100～350 μm的多孔材料中。Shin等[30]运用静电纺丝技术，通过控制纺丝参数获得孔径尺寸在200～300 μm 的聚己内酯人造骨骼，并进行了体外成骨细胞研究，结果发现：在研究范围内(孔径尺寸200～300 μm)， 孔径的增加可令更充足的营养进入人造骨骼内部，从而使更多的成骨细胞在材料内部增殖分化；相反，孔径越小，更多的细胞只会黏附于材料表面，这与Macchetta等人的研究结果一致。此外，Zhao等[31]通过控制不同的处理温度(80、100、120 ℃) 和处理时间(30、60、90 min)，对具有二氧化硅/二氧化钛涂层的生物材料表面进行处理，获得具有微孔且孔径随处理时间和处理温度的增加而逐渐变大的材料，并进行了体外细胞试验，结果发现：在试验范围内，细胞在材料表面的增殖速率是逐渐增加的。Zhao等[32]构建了具有不同孔径结构的POSS-PCU薄膜，并对这些薄膜进行了血液相容性试验，扫描电镜观察发现：只有孔径在2～5 μm的薄膜，红细胞才可以很好地保持其原始形貌。这些都说明，孔径尺寸不但会影响材料的细胞相容性，还会影响其血液相容性。

Yan等[33]通过控制接收器的转速获得了具有不同纤维线密度及孔隙率的静电纺纤维膜(图1)，并对其进行了细胞试验。使用激光共聚焦显微镜拍摄纤维膜表面，计算材料表面及内部的荧光强度发现，随着孔隙率的增大，材料表面的细胞数量逐渐减少、材料表面的荧光强度逐渐降低，而材料内部的荧光强度逐渐增加。这说明，随着孔隙率的增加，细胞逐渐向材料内部生长。

图1　纤维膜表面孔隙率与接收器转速的关系

Mo等[34]利用静电纺丝技术，通过控制纺丝液质量分数获得了具有不同表面形貌的P(LLA-CL)电纺膜，选择其中一个性能较好的膜进行体外平滑肌细胞和内皮细胞的黏附试验，结果发现：同一材料表面，两种细胞的黏附情况各不相同，故可推断不同细胞对同种材料表面的黏附能力不同。因此，可通过改变材料表面的形貌来促进或阻止某种特定细胞对其表面的黏附。

综上表明，多孔膜结构表面的孔径尺寸对不同细胞的黏附影响是不同的。合适的孔径有利于特定种类的细胞在其表面的黏附和增殖，而孔径尺寸又会影响材料表面的形貌即微纳米结构和粗糙度等。因此，材料表面对细胞黏附的影响是多方面的，可通过人为控制静电纺纤维材料表面的孔径，满足不同细胞的黏附，但有关静电纺纤维材料表面形貌与细胞行为之间的关系研究仍相对较少。

4结论和展望

静电纺纤维材料的孔径尺寸可控，材料具有良好的生物相容性。体外试验发现，静电纺纤维膜表面的形貌及孔径分布会直接影响细胞在其表面或内部的生长与黏附。孔径较小时，细胞更易在纤维膜表面黏附，产品适用于血管材料；孔径较大时，细胞会深入孔隙，产品可用于组织工程人造器官中。但相同形貌的材料表面，不同细胞对其的黏附情况又各不相同。因此，可针对特定细胞对静电纺纤维材料的表面进行修饰和改造，促进或阻止该细胞的黏附。

目前，大量的工作都集中在对新材料的开发和研究方面，只有少量文献提及静电纺纤维材料的个别结构参数与细胞生长的关系，而系统的有关静电纺纤维材料的结构如何影响细胞黏附和生长的模型仍未建立，故今后的研究可通过调控静电纺纤维材料的表面及内部结构，并针对特定种类细胞进行，建立静电纺纤维材料结构对该细胞生命活动影响的模型，为静电纺生物材料的精准研究提供更科学的思路，这对生物材料的发展有着重要意义。

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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

作者简介：胡星友，男，1991年生，在读博士研究生，研究方向为纺织生物材料 通信作者：王璐，E-mail：wanglu@dhu.edu.cn

中图分类号:TQ342+.87

文献标志码：A

文章编号：1004-7093(2016)05-0001-05

*国家自然科学基金资助项目(81371648)；上海市教育委员会科研创新项目(ZX201503000017)；中央高校基本科研业务费专项资金(CUSF-DH-D-2016001)