纳米纤维支架在骨组织工程中的应用

作者:黄山;刘红; 刊名:口腔医学研究 上传者:戴锦初

【摘要】纳米纤维支架是具有纳米级别的天然骨分级结构和多孔结构,近年来在骨组织工程中得到广泛应用。骨组织工程由种子细胞、支架和生长因子3个部分组成,其中寻找能够促进细胞长入和引导新骨生长的三维组织工程支架是骨组织工程研究的重点。纳米纤维支架与天然骨细胞外基质形态结构相似,能够促进细胞附着和干细胞分化,所以成为目前促进骨组织再生的理想支架。本文综述了纳米纤维支架制备技术的最新研究进展。

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由于意外事故、疾病、衰老等原因导致的骨量丢失需要骨重建,使近几年来骨移植量剧增。目前骨移植的金标准依旧是自体骨移植,而自体骨移植一直存在供应受限和疾病传播等问题。因此,在1987年“骨组织工程”概念的提出,成为了骨移植的可行性替代方案之一。骨组织工程的方法理想地消除了供体位点发病、供应受限、免疫排斥、病原体转移等问题[1]。骨组织工程由三大要素构成:适宜的种子细胞、理想的支架、合适的生长因子。其中如何建立理想的支架是骨组织工程的核心问题。由于骨细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)的主要成分为Ⅰ型胶原和羟基磷灰石,其直径为纳米级,因此ECM中的所有的活性分子会受到纳米级的限制,所以纳米结构的支架对骨诱导十分必要[2,3]。本文主要对纳米纤维支架的制备方法及近年来的应用进展进行综述。1静电纺丝技术静电纺丝技术是一种可以直接、连续制造纳米纤维的方法,其尺寸在数纳米至数微米之间。静电纺丝的原料包括:天然材料如明胶、透明质酸、壳聚糖、胶原蛋白等;合成材料如聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚乙醇酸(polyglycolicacid,PGA)、聚乙內酯(ploycaprolactone,PCL)等。但无论天然材料还是合成材料都存在一些缺陷,如胶原制备过程复杂、机械强度不足、合成的高分子材料如PGA、PCL存在降解速率和生物活性等问题。为了将两者的优势最大化,Yang等[4]将PCL与壳聚糖结合,制备出的杂交支架显著增强了其细胞粘附性,并解决了纯电纺壳聚糖机械性能不足和纯PCL细胞粘附性差的问题。1.1同轴静电纺丝技术同轴静电纺丝是一种需要2个静电纺丝尖端,通过两种溶液进行物理分离制备壳-芯结构纳米纤维的方法,其壳层为高分子聚合物,芯层为小分子物质(药物、蛋白质等)。核壳结构不仅有助于核心物质的持续释放和延长释放,使其免于直接暴露于生物环境中失活或变性。并且,利用这种结构可改善支架的机械性能。研究证明,在促进人脂肪干细胞成骨分化时,使用同轴静电纺丝并加入β-磷酸钙(β-tricalcium phosphate,TCP),可使TCP保持最佳浓度并稳定释放。这种方法不仅解决了TCP易降解的问题还减少了爆发释放现象的发生[5]。Chen等[6]制备出热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)/胶原复合支架,并测定其性能,结果表明胶原壳为易降解的TPU提供有效保护,TPU弥补了胶原在机械性能上的不足。同轴复合纳米纤维具有天然ECM的特点,为组织工程提供了一种有前途的支架选择。1.2乳液静电纺丝技术乳液静电纺丝是利用乳液作为纺丝液进行静电纺丝的技术。聚合物溶解在油性溶剂形成油相,药物或蛋白溶解在水中形成水相,再加入乳化剂形成乳液,随后纺丝乳液通过静电纺丝设备形成核壳结构。这种技术一定程度上克服了同轴静电纺丝技术需要特殊纺丝喷头,电场不稳定时得不到壳-芯结构的缺点。其潜在优点是药物和聚合物溶解在合适的溶剂中,可以应用各种亲水药物和疏水性聚合物组合,并且在此过程中可实现药物与有机溶剂的最小接触。因此乳液静电纺丝应用更加普遍。Briggs等[7]研究了乳化过程中超声处理和表面活性剂的添加可以保持乳液稳定性,并能控制电纺支架蛋白质释放并保持其生物活性。但是乳液静电纺丝不能精确控制药物在纳米纤维中的位置,即不能确保药物是在核心位置还是外壳内[8]。2热诱导相分离技术热诱导相分离(thermally-induced phase separation,TIPS)实际上是高温溶解低温相分离的过程,TIPS通常是涉

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