湿法静电纺丝多孔自由形态支架增强细胞定植与软骨再生研究

本研究针对传统静电纺丝支架因致密结构限制细胞浸润的难题，开发了一种新型湿法静电纺丝技术，成功制备了具有99.5%孔隙率的3D聚己内酯（PCL）多孔支架。通过NaOH处理引入羧基并偶联明胶（gelatin），显著提升了骨髓间充质干细胞（BMSCs）的全层浸润能力，14天内实现糖胺聚糖（GAGs）和胶原沉积。该技术突破了2D培养局限，为软骨组织工程提供了创新解决方案。

　　

背景与挑战
骨关节炎（OA）是全球约6亿人的健康威胁，其特征是关节软骨的渐进性退化。传统静电纺丝技术虽能模拟细胞外基质（ECM）结构，但生成的致密2D支架孔隙率低，严重阻碍细胞浸润和三维组织重建。现有改良方法如牺牲模板法仅能短暂扩大孔隙，无法形成稳定的细胞迁移通道。如何构建兼具高孔隙率和生物活性的3D支架，成为软骨再生领域的关键瓶颈。

创新研究
中国研究人员在《Materials Today Bio》发表论文，提出了一种革命性的湿法静电纺丝技术。通过动态乙醇浴和聚苯乙烯（PS）球收集器，成功制备出由松散互联纱线构成的PCL多孔支架（孔隙率99.5%）。结合NaOH水解和NHS/EDC介导的明胶偶联，实现了全层细胞定植和ECM重建。

关键技术
研究采用湿法静电纺丝结合涡流收集构建3D支架，通过NaOH处理（1M，4小时）引入羧基，并利用NHS/EDC交联明胶。以绵羊骨髓间充质干细胞（BMSCs）为模型，通过SEM、共聚焦显微镜和GAGs定量分析评估细胞行为。

研究结果

3.1 2D致密支架与3D多孔支架对比
湿法纺丝的3D支架呈现三级结构：卷曲纤维→松散纱线→互联多孔网络。虽然纤维直径与2D支架无差异（约1.25 μm），但动态流动使纤维取向度提高，孔隙面积（5045.26±4201.84 μm²
）远超2D支架（22.72±24.21 μm²
），匹配细胞尺寸需求。

3.2 NaOH处理优化
4小时NaOH处理使纤维直径降至1.20±0.48 μm，羧基密度提升至0.024±0.005 mM/g（未处理组0.0016 mM/g）。DSC显示结晶区保留（熔点61.17°C），但8小时处理导致断裂伸长率显著下降（272.69%→142.50%），证实非晶区优先蚀刻。

3.3 明胶偶联
4小时处理组明胶负载量达350±60 μg/g PCL，较未处理组（177±17 μg/g）提升近倍。XPS检测到-O=C-N峰（398.5 eV），证实酰胺键形成。28天后仍保留38%明胶，显示稳定结合。

3.4 体外评估
• 细胞行为：明胶偶联组细胞伪足延伸>5 μm，7天增殖量（367±17k）显著高于2D组（312±16k）。
• 全层浸润：7天内细胞穿透600 μm深度，形成跨纱线"细胞桥"。
• ECM沉积：14天时3D支架GAGs（4.51±0.18 μg/mg）和胶原（1.49±0.34 μg/mg）沉积量较2D组提升125%和86%。

讨论与意义
该研究通过创新性的"乙醇涡流-漂浮收集"策略，解决了湿法纺丝纱线干燥塌陷的难题。三级松散结构使细胞能机械重构纤维排列，而局部缺氧可能促进BMSCs向软骨分化。相比Wu等报道的编织纱线支架（100 μm浸润），本技术实现的全层定植（600 μm）具有显著优势。

未来可通过整合纳米羟基磷灰石（nHA）或TGF-β（转化生长因子）进一步引导分区化ECM沉积。这种高孔隙率支架不仅适用于软骨修复，也为肝、肾等血管化器官的体外构建提供了新思路，标志着组织工程从"结构仿生"迈向"功能重建"的新阶段。