表面具有取向沟槽结构的超细纤维制备及其对细胞生长作用的研究

Ultrafine fibers are ideal materials for tissue engineered scaffolds, due to their capacity to mimic the structure of natural extracellular matrix. Evidences have shown that when the fibers are highly aligned, cell migration and differentiation can be effectively induced. However, the influence of fiber surface texture on cell growth remains to be unclear. In this proposal, a series of biodegradable ultrafine fibers with striated surface texture will be electrospun using unique solvent systems. Characteristics of solvent systems, properties of polymers, electrospinning parameters and their relation with fiber morphology will be studied so that the forming mechanism of striated texture can be revealed. A spiral needleless electrospinning technique will be involved to verify the mechanism and increase fiber production rate. Cell growth behavior, especially cell morphology, adhesion and proliferation on smooth and striated fibers will also be studied. Compared to conventional electrospun fibers, such striated fibers have a highly oriented secondary structure and a significantly larger specific surface area, which may become a promising candidate for tissue engineering.

超细纤维可从结构上仿生天然细胞外基质，是构建组织工程支架的理想材料。研究表明，取向排列的超细纤维可有效引导细胞的迁徙、分化等行为，但纤维本身表面结构对细胞生长的作用尚不明确。本课题拟建立特殊的溶剂体系对多种可降解聚合物进行静电纺丝，制备一系列表面具有取向沟槽的超细纤维；研究纺丝溶液性状、聚合物性能、纺丝环境工艺参数等对于纤维形貌的影响，以此揭示沟槽的成型机理；利用螺旋式无针静电纺丝技术验证该机理，提升超细纤维产量；对比不同细胞在取向沟槽纤维和光滑纤维上的形态、黏附与增殖情况，研究细胞生长的作用规律。与常规静电纺纤维相比，本课题制备的超细纤维具有高度取向的表面特征及更大的比表面积，有望为组织工程支架提供一种新型纤维原料。

纤维表面形貌对其性能及应用起到重要影响。本项目从仿生自然界中纳米沟槽结构的角度出发，利用静电纺丝技术成功制备出一系列表面具有取向纳米沟槽结构的超细纤维。纤维直径分布在0.5-5微米，而其上的沟槽宽度在200-500纳米之间。通过系统研究纺丝参数，尤其是纺丝溶剂配比和相对湿度对于沟槽形貌的影响规律，取向沟槽的形成机理可归因为溶剂挥发所形成的冷凝水，以及电场牵伸力的协同作用。溶剂挥发过程中大量吸热，导致环境中的水分子凝结成大量小水滴并进入纤维，在纤维内部的水滴蒸发后形成孔洞结构，而纤维表面的水滴则在电场力下牵伸成取向沟槽。据此机理，使用不同聚合物，包括醋酸丁酸纤维素、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯等，制备了表面具有取向沟槽结构的超细纤维。值得一提的是，类似的沟槽结构也可在一些生物可降解聚合物纤维，如聚左旋乳酸纤维表面形成，这极大的拓展了此类纤维的应用范围。. 纤维制备完毕后，构建了具有双重沟槽结构的平面及管状结构。其中，初级沟槽由平行排列的纤维组成，二级沟槽由沿纤维轴向排列的平行沟槽形成。与光滑纤维构筑的表面相比，取向纳米沟槽纤维结构在润湿性方面呈现出显著的各向异性，原因在于沟槽的存在导致纤维表面积增加，增加了表面的粗糙度以及液滴下方的静止空气。. 在其上种植细胞发现，纤维表面高度取向的沟槽有利于雪旺、成纤维等细胞的生长，尤其可促进细胞的早期黏附。进一步将取向沟槽纤维构建的神经导管支架植入大鼠坐骨神经处，修复一段15毫米的神经缺损。术后12周剖开导管，可发现再生神经的形成。电生理检查、髓鞘检查、腓肠肌检查和大鼠行走足印等结果显示，取向沟槽纤维构成的轴向取向管状支架可促进再生神经的生长。虽然其修复效果与自体神经相比仍有一定距离，但比光滑纤维支架有了明显提高。这些结果说明，具有取向沟槽结构的纤维有利于组织修复，在组织工程、再生医学等领域具有一定应用潜力。