《Next Materials》：Innovative design and comprehensive characterization of electrospun polyvinyl alcohol/carboxymethyl cellulose/collagen scaffolds for advanced bone regeneration: Integrating mechanical, biological, and morphological insights
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采用静电纺丝方法成功制备了聚乙烯醇/羧甲基纤维素/胶原（PVA/CMC/Col）复合纳米纤维，并整合了各组分的不同比例。研究人员利用先进的分析技术，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）和力学测试，对这些纳米纤维进行了细致
采用静电纺丝方法成功制备了聚乙烯醇/羧甲基纤维素/胶原（PVA/CMC/Col）复合纳米纤维，并整合了各组分的不同比例。研究人员利用先进的分析技术，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）和力学测试，对这些纳米纤维进行了细致的表征，以确保对其结构和功能特性的全面理解。所获得的纳米纤维呈现出单轴结构，平均直径范围在224至408纳米之间，展示了静电纺丝过程的精确控制。结果揭示了材料组成与性能之间的直接关联，其中PCC5配方成为最优样品。FTIR和TGA数据证实，胶原蛋白浓度的增加导致了更整合的聚合物网络，具有更强的分子间氢键和更优异的热稳定性。此外，力学测试表明，PCC5样品表现出最高的拉伸强度，巩固了化学成分与强健物理性能之间的联系。通过使用MTT法对MG-63成骨细胞样细胞进行体外测试，严格评估了纳米纤维的生物相容性。结果显示其与细胞环境具有优异的相容性，PCC5样品持续促进最高的细胞粘附和增殖率。这项研究强调了PVA/CMC/Col纳米纤维在骨组织工程领域的突破性潜力，因为它们物理和生物性能的优化组合使其成为骨再生应用的有希望的候选材料。这项研究为再生医学的未来进展铺平了道路，为进一步的探索和创新提供了一个稳健的平台。
**研究背景与意义**
骨组织作为人体关键的结构成分，负责提供机械支撑、保护内脏器官并促进运动。骨组织具有高度动态性并持续进行重塑，但创伤、退行性疾病和先天缺陷等多种情况会损害其完整性，导致严重并发症。由于愈合过程涉及炎症、软组织骨痂形成、硬组织骨痂形成和重塑四个不同但相互关联的阶段，骨再生仍然是现代医学面临的最大挑战之一。骨移植物和组织工程方法已成为加速骨再生和促进愈合的创新策略。理想的骨支架必须具有几个关键特征，包括高生物相容性、骨诱导性、骨传导性、合适的机械强度，以及能够模拟细胞外基质（ECM）以支持细胞粘附、增殖和分化的能力。此外，支架应提供一个促进骨生长和血管化的结构框架，同时确保与新组织形成同步的逐步降解。
骨组织工程作为一种解决骨缺损的先进方法已获得广泛关注。基于生物材料的支架通过提供新骨组织形成所需的结构支持和生化信号，在促进骨再生中发挥着基础作用。在各种支架类型中，静电纺丝纳米纤维支架因其能够紧密模拟骨组织的ECM结构而受到越来越多的关注。最近的研究强调了静电纺丝纳米纤维支架的优势，如其高比表面积、可控孔隙率以及增强细胞粘附和成骨分化的能力。这些特性使静电纺丝支架成为骨组织工程应用的有希望的候选者。
聚乙烯醇（PVA）是生物医学领域，特别是再生医学中应用最广泛的合成聚合物之一。其优异的生物相容性、生物可降解性、亲水性和化学稳定性使其成为组织支架和药物递送系统等多种应用的理想材料。PVA的成膜和成纤维能力使其能够广泛用于静电纺丝，无论是单独使用还是与其他聚合物结合。PVA增强机械稳定性和亲水性的能力使其成为静电纺丝支架的优异组分。在骨组织工程中，PVA因其支持细胞粘附和增殖的潜力而被研究，从而在成骨组织再生中发挥关键作用。
羧甲基纤维素（CMC）是一种源自纤维素的半天然聚阴离子多糖，以其高溶解度、生物相容性和生物可降解性为特征。由于其卓越的结合和稳定特性，CMC在制药、化妆品和生物医学领域有广泛应用。其在水环境中溶胀和模拟ECM成分的能力使其成为组织工程中有价值的生物材料。然而，纯CMC由于其高粘度和刚性聚合物结构而在静电纺丝中面临挑战。为了克服这些限制，CMC通常与PVA等聚合物共混以改善机械性能并增强纳米纤维的形成。先前的研究表明，PVA/CMC支架表现出改善的机械和结构性能，使其成为组织工程应用的合适候选者。
胶原蛋白是人体中最丰富的结构蛋白之一，是包括骨骼在内的各种组织中ECM的关键成分。它在提供结构完整性、机械强度以及细胞粘附、增殖和分化所需的生物信号方面发挥着基础作用。基于胶原蛋白的材料因其优异的生物相容性和骨传导特性而被广泛用于骨组织工程。将胶原蛋白整合到静电纺丝支架中可增强生物活性，促进成骨分化并支持矿化过程，这对骨再生至关重要。
本研究旨在设计和制造基于PVA和CMC并掺入胶原蛋白的静电纺丝纤维支架，用于骨组织工程应用。在优化支架结构后，评估了其促进骨再生的有效性。研究人员制备了PVA和CMC的特定配方，并结合不同比例的胶原蛋白，并制造了静电纺丝支架。使用MG-63成骨细胞样细胞，系统地分析了支架的形态、机械性能、化学相互作用、亲水性、生物降解行为和体外生物相容性。评估了MG-63细胞对支架的生物学反应，以评价其促进骨再生的潜力。这些发现通过统计分析得到进一步验证，突出了所开发支架的功能可靠性和生物活性。值得注意的是，据作者所知，将胶原蛋白掺入基于PVA/CMC的支架用于骨组织工程尚未得到全面研究。这项研究为骨再生策略的新进展铺平了道路，并为生物医学工程的未来创新提供了一个稳健的平台。本论文发表在《Next Materials》期刊上。
**关键技术方法**
研究人员采用静电纺丝技术制备了不同PVA/CMC/Col比例的复合纳米纤维支架。通过优化纺丝参数（如针尖-收集器距离、流速和电压）获得稳定、均匀的纤维结构。利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析纤维形貌和直径分布，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分别用于化学结构和结晶度表征，热重分析（TGA）评估热稳定性，水接触角测量分析表面亲/疏水性，万能材料试验机进行力学性能测试。生物相容性评价采用MG-63成骨细胞样细胞（来源于伊朗巴斯德研究所）进行体外培养，通过MTT法检测细胞活力。所有实验均进行三次重复，数据以平均值±标准差表示，并使用GraphPad Prism 9软件进行统计学分析。
**研究结果**
**3.1. FE-SEM分析**
通过FE-SEM图像和纤维直径直方图分析，证实成功制备了完全多孔、均匀且无串珠的纤维结构。结果显示，随着支架中胶原蛋白（Col）含量的增加，静电纺丝纤维的直径从PC样品的408±35纳米显著减小至PCC5样品的224±26纳米。这种直径减小归因于胶原蛋白中离子基团（如-COOH和-OH）的存在增加了溶液中的电荷载流子数量，从而增强了电场中的纤维拉伸。PCC5样品表现出最小的纤维直径和最均匀的纤维分布。多孔结构有利于营养物质、气体的运输和废物的清除，纤维直径的减小确保了细胞在支架内更均匀的分布，因此PCC5支架在组织工程应用中显示出显著的细胞生长潜力。
**3.2. FTIR分析**
FTIR光谱分析证实了PVA/CMC/Col复合纳米纤维的成功制备及各组分间的化学相互作用。在复合光谱中清晰识别了每种聚合物的特征峰。例如，约3300 cm
-1处的宽谱带对应于PVA和CMC的O-H伸缩振动，而约2900 cm
-1处的C-H伸缩振动进一步证实了它们的存在。胶原蛋白掺入的最有力证据是大约1650 cm
-1和1550 cm
-1处分别出现的酰胺I带（C=O伸缩）和酰胺II带（N-H弯曲）峰强度增加，且其强度随胶原蛋白浓度从PCC1到PCC5的增加而增强。胶原蛋白的胺基和羰基为与PVA和CMC的羟基形成氢键提供了额外位点，这种广泛的分子间氢键作为纳米纤维网络内的强交联机制，随着胶原蛋白含量的增加，氢键密度也增加，从而显著增强了复合纳米纤维的机械强度和稳定性。
**3.3. XRD分析**
XRD图谱显示，所有样品在约20°（2θ）处都有一个显著的宽峰，这是PVA半结晶或无定形特性的特征。随着样品中胶原蛋白浓度的逐步增加（从PCC1到PCC5），观察到光谱的细微变化。胶原蛋白本身是一种无定形材料，其添加倾向于使整体纳米纤维结构趋向更大的无序性。虽然PCC3和PCC5样品在30–40°（2θ）处可见微小峰，但它们并未改变纳米纤维的整体无定形性质，可能与纳米尺度上微小结晶域的存在或新的分子间相互作用有关。总体而言，XRD结果证实静电纺丝过程和胶原蛋白的掺入成功保持了均匀的无定形结构，这是生物医学应用的关键特性。
**3.4. TGA分析**
TGA是研究PVA/CMC/Col复合纳米纤维热稳定性的关键工具。所有样品均表现出三个明显的失重阶段。第一阶段（低于100°C）归因于吸收水分的蒸发。主要的失重事件发生在200°C至350°C之间，对应于主要PVA和CMC聚合物链的热分解。最后，在高于350°C的温度下的第三阶段失重与剩余聚合物骨架以及胶原蛋白的完全热降解相关。仔细检查TGA图发现，PCC5样品表现出比其他组更优异的热稳定性。这种增强的稳定性直接与该样品中增加的胶原蛋白含量相关。胶原蛋白的胺基和羧基官能团为与PVA和CMC的羟基形成密集氢键提供了额外位点，这些氢键作为一个强大的分子间交联网络，有效地将聚合物链结合在一起，因此需要更高的热能输入来启动这种更整合结构的降解，从而导致其更高的热稳定性。这一发现与FTIR结果密切相关，后者证实了这些分子间化学键的存在和增加。高热稳定性是生物材料的关键特征，表明其在灭菌过程中的弹性以及在生理环境中保持结构完整性的能力。
**3.5. 表面亲水性分析**
水接触角分析是评估PVA/CMC/Col纳米纤维表面特性的关键指标，直接影响其与生物环境的相互作用。如图所示，PCC5样品表现出最高的接触角，为58.3°，使其成为测试组中最疏水的样品。这种中等程度的疏水性通常被认为是生物材料的最佳选择，因为它在细胞粘附和增殖之间取得了平衡。表面太亲水可能导致非特异性蛋白质吸附和细胞附着不良，而高度疏水的表面可能导致蛋白质变性，同样阻碍细胞生长。PCC5在这方面表现优异，表明其特定的组成和结构形态非常有利于为细胞活动创造合适的表面。这一发现与摘要中提到的MTT法显示的优异生物相容性和促进细胞增殖特别相关，它为观察到的生物学成功提供了基础原因，在物理特性（表面润湿性）和生物学结果（细胞行为）之间建立了直接联系。星号表示的统计显著性进一步证实了观察到的差异并非偶然，验证了PCC5增强的表面特性的可靠性。
**3.6. 力学分析**
通过应力-应变曲线进行的力学分析对于评估生物材料在骨组织工程等承重应用中的适用性至关重要。如图所示，纳米纤维的力学行为与其组成直接相关。对照样品PC表现出最高的伸长率（约800%），但最低的极限拉伸强度。这种高柔韧性可归因于其占主导地位的无定形结构（这已通过XRD分析独立证实），允许在应力下发生显著的链滑移和拉伸。一个关键的发现是，随着胶原蛋白的掺入，机械强度逐步且显著地增强。随着胶原蛋白含量从PCC1增加到PCC3，最后到PCC5，观察到极限拉伸强度的显著上升。PCC5样品成为最强的变体，达到约0.07 MPa的拉伸强度。这种强度的增加是先前分析中讨论的化学相互作用和结构变化的直接结果。FTIR结果证实，胶原蛋白的添加引入了丰富的胺基和羰基，它们与PVA和CMC的羟基形成了密集的分子间氢键网络。这些强大的氢键作为有效的交联点，创造了一个更整合和刚性的聚合物网络。这种改进的网络需要更大的力来变形和断裂，这一事实也与TGA数据中观察到的增强的热稳定性一致。PCC5优异的机械性能在保持一定柔韧性的同时提供了必要的承重能力，使其成为骨再生支架的极有希望的候选者。
**3.7. 细胞行为与MTT分析**
MTT分析是生物相容性的最终基准，提供了复合纳米纤维在细胞环境中生物学性能的关键数据。如图所示，在所有时间点，所有含胶原蛋白的样品（PCC1、PCC3和PCC5）的细胞活力和增殖率均显著高于对照PC样品。这些具有统计学意义的结果证实，所制备的支架成功支持了MG-63成骨细胞样细胞的粘附和生长。观察到的生物学优势，特别是在PCC5中，并非归因于单一因素，而是材料物理和生化特性复杂协同作用的结果。正如先前的水接触角分析所示，胶原蛋白的添加优化了表面疏水性，为蛋白质吸附和随后的细胞附着创造了理想的界面。此外，正如FTIR和力学性能部分所讨论的，胶原蛋白含量的增加导致了密集的氢键网络，增强了支架的结构完整性和机械强度。这种改善的机械稳定性对于模拟天然骨基质至关重要，提供了一个鼓励细胞铺展和增殖的稳健平台。除了这些物理改进之外，胶原蛋白本身的存在是一个关键的生化因素。作为天然骨细胞外基质中的主要蛋白质，胶原蛋白为细胞提供特定的生化信号。它含有特定的肽序列，如RGD，这些序列作为细胞表面受体（整合素）的结合位点，从而促进细胞粘附、铺展以及随后对增殖和分化至关重要的信号通路。这种对天然细胞环境的仿生是观察到优异细胞活力的一个关键原因。总之，MTT分析结果作为最终验证，统一了所有先前的发现，并巩固了PCC5作为骨组织工程应用优越候选者的地位。
**讨论与结论**
总之，PVA/CMC/Col复合纳米纤维的开发代表了生物医学材料领域的一次重大飞跃。通过利用静电纺丝的精确性和采用先进的表征技术，本研究成功制备了具有优异结构均匀性和可控尺寸的纳米纤维。综合分析揭示了材料组成与功能特性之间的直接关联，其中PCC5样品成为最佳配方。来自FTIR和TGA的研究结果证实，增加胶原蛋白浓度通过增强分子间氢键导致了更整合的聚合物网络，这直接促成了应力-应变分析中观察到的优异机械强度。这种结构完整性，结合水接触角数据证实的优化表面润湿性，为细胞相互作用创造了一个高度有利的微环境。通过与MG-63细胞验证的已证明的生物相容性，强调了它们对骨组织工程的适用性。PCC5样品促进优异细胞增殖和粘附的能力，加上其强健的物理性能，使其成为模拟骨纤维成分的绝佳选择。这些纳米纤维作为应对复杂生物医学挑战的多功能且可靠平台的显著潜力，凸显了它们在推进治疗解决方案和患者护理方面的广阔前景。
研究结论部分翻译：总之，PVA/CMC/Col复合纳米纤维的开发代表了生物医学材料领域的一次重大飞跃。通过利用静电纺丝的精确性和采用先进的表征技术，本研究成功制备了具有优异结构均匀性和可控尺寸的纳米纤维。综合分析揭示了材料组成与功能特性之间的直接关联，其中PCC5样品成为最佳配方。来自FTIR和TGA的研究结果证实，增加胶原蛋白浓度通过增强分子间氢键导致了更整合的聚合物网络，这直接促成了应力-应变分析中观察到的优异机械强度。这种结构完整性，结合水接触角数据证实的优化表面润湿性，为细胞相互作用创造了一个高度有利的微环境。通过与MG-63细胞验证的已证明的生物相容性，强调了它们对骨组织工程的适用性。PCC5样品促进优异细胞增殖和粘附的能力，加上其强健的物理性能，使其成为模拟骨纤维成分的绝佳选择。这些纳米纤维作为应对复杂生物医学挑战的多功能且可靠平台的显著潜力，凸显了它们在推进治疗解决方案和患者护理方面的广阔前景。
