三维导电纳米纤维接触引导与电刺激协同作用对细胞行为的影响

Conductive nanofibers developing the new direction of the biomaterials, are becoming hot topics research from home and abroad. The key of these materials applied widely, is that conductive nanofibers can regulate cell growth behavior and promote the formation of new tissue. Previous study demonstrated that contact guidance and electrical stimulation of conductive nanofiber membranes can promote cell adhesion, proliferation and differentiation. However, few study related to three-dimensional conductive nanofibers contact guidance and electrical stimulation for cell growth behavior and their interaction mechanism was unclear. On the basis of our works, graphene/polyacrylonitrile conductive nanofibers will be controllable prepared using electrospining combined with plasma technology. In addition, main impacts of electrospining process, the plasma environment and other factors on the morphology, structure and properties of conductive nanofibers will be studied, and the relationship between the structure and properties of the conductive nanofibers will be discussed in detail. Using bone marrow mesenchymal stem cell as model cell, conductive nanofibers contact guidance and electrical stimulation synergistic effect on cell behavior will be studied, and their interaction mechanism will be revealed. This project will be expected to provide basic research data and theoretical basis for the construction of three-dimensional in vitro cell culture system, and tissue regeneration and repair in the biomedical field.

导电纳米纤维开拓了生物材料的新方向，正逐渐成为国内外研究的热点课题之一。该类材料能否在组织工程领域获得广泛应用，关键在于其能否调控细胞的生长行为，促进新组织的形成。研究证实，导电纳米纤维膜接触引导与电刺激协同作用能够促进细胞的粘附、增殖及分化，但对于三维导电纳米纤维接触引导与电刺激协同作用对细胞生长行为的影响研究较少，作用规律尚不清楚。因此，本项目拟在前期研究工作的基础上，通过静电纺丝法结合等离子体技术实现三维石墨烯/聚丙烯腈复合导电纳米纤维的可控制备，研究电纺丝工艺、等离子体环境等因素对导电纳米纤维的形貌、结构及性能的影响，并分析结构与性能的内在联系；以骨髓间充质干细胞为实验对象，深入研究三维导电纳米纤维接触引导与电刺激协同作用对细胞生长行为的影响及作用规律。该研究有望为构建体外细胞三维培养体系、组织再生与修复等生物医学领域提供实验基础与理论依据。

纳米纤维能够较好的模拟细胞外天然基质结构，是目前生物医学材料研究的热点领域。纳米纤维作为细胞培养支架材料为细胞的粘附和增殖提供良好的生长微环境。但是传统的纳米纤维力学、电学性能欠佳，生物相容性有待提高。本项目历时3年，在国家自然科学基金青年项目的资助下，对电纺丝的工艺进行了改进，创建了三维纳米纤维的可控制备体系，研制了一系列的功能性纳米纤维。主要研究内容如下：1）应用电纺技术结合热驱动成功制备了核-壳石墨烯纳米纤维，该石墨烯纳米纤维膜具有良好的生物相容性。同时，能够有效促进细胞的粘附、贴壁和增殖。该制备方法拓展了石墨烯在组织工程，生物电传感、神经电极等领域的应用空间。2）应用生物还原法成功制备了细菌纤维素纤维/石墨烯复合膜。细菌纤维素纤维的引入，促进了细胞的粘附和生长。所制备的石墨烯复合膜将拓展石墨烯在组织工程、生物传感器、药物释放、细胞培养等生物医学领域的应用领域。3）通过改进静电纺丝的接收装置，成功制备了三维定向的纳米纤维。该三维定向纳米纤维能够有效诱导神经细胞的生长方向，并促进神经细胞的生长。该三维定向纳米纤维在神经组织工程领域具有良好的应用前景。应用静电纺丝技术结合界面原位聚合成功制备了三维导电聚吡咯导电纳米纤维。我们分析了在电刺激作用下，细胞的增殖、粘附和分化情况。研究结果表明：电刺激能够促进细胞collagen的表达，但是对增殖影响不大。