利用核壳纳米纤维纱线以及可调谐的编织结构，开发用于管状组织的可扩展编织纺织基支架

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Developing scalable woven textile-based scaffolds for tubular tissues with Core–Sheath nanofibre yarns and tuneable weave architectures

血管、气管、食管移植的生物相容性支架设计需兼顾机械性能与细胞响应调控。本研究提出了一种可扩展的自动化织造策略，将PLA多股纱线与电纺PCL纳米纤维复合成核心- sheath纱线，通过调节织造结构（ plain weave、twill等）控制表面拓扑、孔隙率和力学性能，显著提升支架的机械强度（3.90 dN/tex）与生物相容性。细胞实验显示不同织构影响内皮细胞和平滑肌细胞的黏附模式、细胞骨架排列及增殖活性，其中 plain weave结构支持更均匀的细胞分布，而复杂织构（如broken twill）可诱导多层细胞网络形成。该技术克服了传统电纺膜机械性能差和手工织造不可扩展的局限，为临床适用的仿生管状组织工程支架提供了新方案。

　　在现代医学领域，管状组织如血管、气管和食管的损伤或功能障碍是多种临床疾病的重要挑战。据估计，心血管疾病每年导致全球约1790万人死亡，这突显了开发有效再生解决方案的紧迫性。同时，气管损伤常由长期插管或外伤引起，而食管疾病包括先天性异常和癌症，也给医疗系统带来沉重负担。目前的临床解决方案如合成移植物、自体移植和脱细胞支架虽然在一定程度上解决了问题，但仍存在诸多局限性，例如机械性能不匹配、再生能力有限、易感染以及与宿主组织的功能整合不足。这些问题常常导致细胞外基质（ECM）沉积不规则、细胞排列紊乱和功能整合受损，从而引起较高的翻修率和较差的长期临床结果。

传统的生物支架制造技术，如静电纺丝，虽然在提供纳米级的ECM模拟和复杂结构方面表现出潜力，但往往缺乏足够的机械弹性和尺寸稳定性，难以满足负载支撑型管状组织的需求。相比之下，基于纺织品的支架，特别是编织结构，因其固有的机械强度、尺寸稳定性、可控的孔隙率和可重复的几何形状而成为有吸引力的替代方案。然而，现有的生物功能性纺织品移植物通常只是被动结构，无法主动与生物系统进行交互，这限制了它们的长期性能和组织整合能力。为了克服这些限制，研究人员正在探索将纳米纤维整合到纺织品支架中的方法，以提供必要的纳米级拓扑提示，从而促进细胞的粘附、增殖和分化。

在本研究中，提出了一种可扩展的自动化编织策略，将PLA多丝芯与静电纺丝PCL纳米纤维包覆层结合，制造出仿生的芯鞘纱线。这些纱线通过编织工艺形成具有可调架构的管状支架，使表面拓扑结构、孔隙率和机械顺应性得以精确控制。这种方法克服了传统静电纺丝膜和手动编织方法的关键局限，提供了可重复性、结构稳定性和设计灵活性。研究结果表明，通过控制纱线形态和介观编织架构，可以引导细胞行为和组织组织，为工程血管、气管和食管移植物提供了一个具有临床相关特性的平台。

研究还详细描述了如何制备这些PLA-PCL多丝/纳米纤维纺织品支架。通过使用双注射泵和旋转漏斗收集器，研究人员能够将PLA多丝纱线作为芯材，静电纺丝的PCL纳米纤维作为包覆层，形成连续且稳定的芯鞘结构。通过调整编织参数，如经纱和纬纱的密度和排列方式，可以进一步优化支架的机械性能和表面特性。例如，采用不同的编织图案，如平纹、斜纹、缎纹、破斜纹和阴影斜纹，可以显著影响支架的表面粗糙度、孔隙率和润湿性。这些参数的调整对于促进细胞的附着、增殖和排列至关重要。

在材料表征方面，研究利用扫描电子显微镜（SEM）对芯鞘纳米纤维纱线和编织支架的形态特征进行了详细分析。结果表明，PCL纳米纤维包覆层具有较小的纤维直径和较高的孔隙率，而PLA多丝芯则提供了机械强度和结构稳定性。这些特性使得芯鞘结构在保持支架机械性能的同时，还能提供适宜的生物活性表面，促进细胞的粘附和组织形成。此外，研究还通过表面润湿性评估和生物相容性测试，进一步验证了支架的性能。水接触角测试显示，不同编织图案的润湿性存在显著差异，这与表面粗糙度、孔隙率和材料组成密切相关。高润湿性通常有利于细胞的附着和扩散，因为它促进了粘附蛋白如纤维连接蛋白的吸附，并保留了整合素结合基序，这对细胞粘附和细胞骨架组织至关重要。

在生物相容性评估中，研究使用了人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和人食管平滑肌细胞（HOeSMCs）来测试不同编织结构对细胞行为的影响。结果显示，所有支架类型均支持高细胞存活率和代谢活性，但不同的编织图案对细胞的分布和组织方式产生了显著影响。例如，在PLA平纹编织结构中，细胞的分布较为均匀，而在PLA-PCL平纹结构中，细胞更倾向于附着在经纱上，而在纬纱上较少。这种差异可能与PCL纳米纤维包覆层的高密度和较小的孔隙有关，限制了细胞的渗透和附着。相比之下，更复杂的编织图案如斜纹和破斜纹则促进了细胞的多层形成和聚集，这可能与它们提供的不规则表面拓扑结构有关。

研究还探讨了不同编织结构对细胞代谢活动和增殖的影响。通过使用Resazurin还原法和PicoGreen dsDNA检测法，研究人员评估了细胞的代谢活性和DNA含量。结果表明，PLA平纹结构在14天内表现出最高的代谢活性和细胞增殖，而其他结构如斜纹和缎纹则在早期阶段显示较低的活性，但随着时间推移逐渐增加。这种差异可能与不同编织图案提供的细胞附着环境和机械刺激有关。总体而言，所有支架类型均表现出良好的生物相容性，但其对细胞行为的影响因编织结构而异。

此外，研究还强调了编织结构在调节细胞排列和组织形成中的作用。通过改变编织图案，可以精确控制支架的表面拓扑结构和孔隙率，从而引导细胞的定向排列和网络形成。例如，平纹编织结构由于其均匀的孔隙几何和较低的表面粗糙度，支持了更一致的细胞排列和存活率，而更复杂的编织图案则引入了不规则的表面拓扑，导致细胞排列的不均匀性。这种现象表明，编织结构的几何配置在引导细胞行为方面具有重要作用。

研究还讨论了材料组成对细胞行为的影响。PLA多丝芯和PCL纳米纤维包覆层提供了互补的微环境，进一步优化了细胞的响应。PLA多丝芯的开放孔隙结构和较大的孔径促进了细胞的渗透和沿纤维的排列，而PCL纳米纤维包覆层的高密度和小孔径则支持了细胞在表面的紧密排列和单层形成。这种组合结构使得支架能够平衡细胞渗透和表面覆盖，从而在多种细胞类型中表现出良好的生物相容性。

通过这些研究，科学家们展示了如何通过调节纱线形态和编织结构，来设计出能够满足复杂组织需求的管状支架。这种方法不仅提供了可扩展性和精确控制，还为未来研究和临床应用提供了新的方向。未来的工作将集中在评估管状支架在真实生理条件下的机械性能，如爆破压力和张力，以进一步优化支架的结构参数，如经纱和纬纱的密度，从而更好地控制孔隙尺寸和其他形态特征。此外，研究还计划向完全自动化的制造过程过渡，以提高生产效率和可重复性，这可能有助于改善营养交换和组织工程的临床应用。