智能纤维在表面瘢痕形成与修复机制探讨中的应用研究

Owing to the rapid development of molecularly-level treatments, wound and scar repair have recently become a hot topic in the field of orthopedic surgery in China. Wound healing is a complicatedly biological process, however, one has revealed that the collagen secreted by fibroblasts plays a crucial role during would healing. At present, most of wound repairs are focused on regulating growth factors or ECM molecules to promote wound healing. It is surprised that the relationship between the distribution of collagen and wound healing and scar information has never been paid attention to. In this proposal, therefore, we hypothesize that the distribution of collagen on the wound are direct reasons which bring about wound healing towards scar-free tissue regeneration. From the point of a biomaterial scientist, we use surface micropatterning and enzymatic engineering to modify the surface of bacterial cellulose. This smart cellulose material is used as a substrate to explore the relationship between the distribution of collagen on the wound and wound healing/scar formation. Following this hypothesis, we expect to look for a novel perspective of wound repair and derive a novel multifunctional material, which can promote the attachment and migration of cells as well as guide the deposition and distribute of collagen in order to drive wound towards scarless tissue regeneration.

利用分子水平调控进行创伤与瘢痕修复研究已逐渐成为21世纪中国外科领域研究热点。创伤修复是一个复杂的生物学过程，由细胞迁移引导的胶原纤维在伤口部位沉积与分布的空间构造是瘢痕形成的关键因素。本课题基于此观点，以瘢痕形成中其胶原纤维空间构造能够被逆向引导为假设，构建以具有胶原诱导功能的智能细菌纤维材料来促使胶原朝着无瘢痕创伤愈合的方向沉积与分布，以揭示创伤修复中胶原沉积分布的空间构造与瘢痕形成之间的关系，从而探寻一条创伤修复的新思路。本项目从材料入手，对具有良好生物相容性的细菌纤维素进行表面微图形化，以赋予其可诱导胶原分布的功能。以体外细胞实验和动物模型实验来检验智能细菌纤维材料诱导胶原分布的功能性和体内材料的酶降解性。在不需要昂贵的分子水平治疗介入情况下，这种在创伤修复中以智能材料来替代生长因子调控的瘢痕修复方法仍然能够促使创伤朝着无瘢痕或减少瘢痕形成的方向愈合。

本项目通过四年的研究工作，已基本完成预定的项目计划内容。创伤修复是一个复杂的生物学过程，由生长因子诱导的细胞迁移增殖及胶原纤维在伤口部位的沉积与分布是创伤愈合的关键因素。本课题基于此观点，另辟蹊径，以具有胶原诱导功能的智能细菌纤维素材料来替代生长因子诱导胶原沉积与分布，用以揭示创伤修复中胶原空间网状沉积分布与创伤愈合、瘢痕形成之间的关系，从而探寻一条创伤修复的新思路。本项目对材料的形成和表面改性做了大量的研究工作，通过大量的细胞与动物实验来证实改性材料在探讨创伤修复机制中的可行性与改善修复瘢痕的有效性。本项目首先探讨了BC发酵产生过程中结构形成的机理，研究发现发酵过程中BC的生长是从下至上以layer-by-layer的方式进行，薄膜层的增长是面向培养液内部移动，其后生成的新的薄膜层大约1 µm加入到覆盖到第一层的材料层中。其二，本项目通过采用不同能量的CO2激光在细菌纤维素材料上构建不同的微图形，并通过不同的微图形来比较生长因子（TGF-β）在无图形的BC表面上与具有微图形的BC的细胞迁移及伤口修复的效果。其三，本项目除了研究BC在体内通过不同方法而产生的降解吸收的特点，还通过三种微图形，柱状、编织状、迷宫状，通过粘附小分子的生物活性短肽（RGDS）来研究微图形结构是否影响伤口修的效果。研究发现利用RGDS选择性粘附能够获得与TGF-β相似的诱导细胞迁移和胶原分布重组的效果。最后，本项目采用不同方式探索了BC在体内的最佳的降解方式和采用具有乙烯基的季铵盐对BC表面进行抗菌改性并取得了较好的抗菌性。在本项目执行的四年中，本项目已经参与培养了1名博士研究生和3名硕士研究生。本项目参与资助了3次专业会议的举办，并参与资助了3次境外和国内专家的来访、讲座和交流。目前为止，本项目已经发表6篇SCI论文和1篇核心期刊论文，书本1章节，3篇论文已提交到SCI杂志审核，申请了4个国家发明专利。随着项目后续数据的整理和后续工作的持续进行，更多的项目成果将陆续获得。