仿生PLGA纳米纤维支架：结晶驱动的机械增强作用及降解动力学分析

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Biomimetic PLGA Nanofiber Scaffolds: Crystallization-Driven Mechanical Reinforcement and Degradation Kinetics Analysis

　　

朱金龙|刘书强|纪梦娇|孙瑞|姚亚楠|邵磊|张曼|吴改红|严鹏宇|贾璐|张玉静

太原理工大学纺织工程学院，中国太原 030024

摘要

在可生物降解聚合物支架的工程化设计中，平衡机械疲劳抗性与精确的降解动力学仍然是一个关键挑战。本文通过顺序电纺技术制备了仿生管状支架，并通过调整乳酸/羟基乙酸（PLGA）的单体比例系统地调控其物理化学性质。通过优化牺牲层制备工艺和收集器转速，构建了一个无缺陷的纳米纤维网络，该网络模拟了天然细胞外基质（ECM）的结构。XRD和DSC分析表明，将乳酸含量优化至7:3的比例会引发从非晶态到半晶态的相变。这种由结晶驱动的微观结构演变赋予了支架优异的径向压缩韧性，并有效再现了天然莲茎的“纤维桥接”增韧机制。在人工尿液中的降解动力学分析显示，半晶态支架表现出扩散限制的整体侵蚀特性，并且自催化作用得到缓解，机械完整性可维持超过四周。此外，优化的表面润湿性和拓扑结构显著促进了成纤维细胞的黏附和增殖。总体而言，本研究阐明了电纺PLGA纳米纤维的结构-性能关系，为设计具有机械耐用性和可调控降解性的生物材料提供了有力策略。

引言

可生物降解聚合物支架已成为输尿管重建的有希望的解决方案，为传统的不可降解材料（如聚氨酯、硅胶）提供了替代选择。当前惰性聚合物支架的主要局限性在于其永久性，需要二次移除手术，从而增加了长期材料失效的风险（如结壳）[1]、[2]、[3]、[4]。从材料工程的角度来看，输尿管是一个复杂的动态环境，其特征是持续的节律性蠕动。传统支架的一个关键失效模式是刚性聚合物与柔软、有弹性的天然组织之间的机械不匹配[5]、[6]、[7]。高模量材料会导致界面应力集中和机械刺激，而过于柔顺的材料则可能发生结构塌陷。因此，下一代可生物降解支架的设计需要在结构完整性、循环载荷下的弹性恢复以及可控的降解动力学之间取得精确平衡。

在各种可生物降解材料中，聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）因其已建立的生物相容性和可调的水解降解动力学而受到广泛关注[8]、[9]。然而，将PLGA应用于动态承载环境时存在一个内在矛盾：结构保持期与所需的功能寿命之间的不匹配。一方面，高羟基乙酸含量的非晶态PLGA（例如LA:GA = 50:50）具有高度亲水性，容易发生快速的整体侵蚀，并常常遭受严重的“自催化水解”，其中酸性寡聚物的内部积累会催化酯键断裂，导致分子量急剧下降和机械完整性的过早丧失。相反，高乳酸含量的材料（接近纯PLA）虽然化学稳定，但通常具有高度结晶性和脆性。这些材料往往缺乏承受循环变形所需的必要柔顺性和疲劳抗性[10]、[11]。因此，设计一种同时实现降解速率、机械强度和疲劳韧性最佳平衡的PLGA支架仍然是一个重要的技术挑战。

为了克服这一差距，需要一种同时针对材料内在特性和微观结构设计的协同策略。从结构上看，电纺技术提供了一个多功能平台，用于制备具有高孔隙率和连通性的纳米纤维网络[12]、[13]、[14]，这对于渗透性和质量传输至关重要。更令人鼓舞的是，自然界提供了一个优雅的机械解决方案：莲茎在断裂时表现出独特的“纤维桥接”现象（俗称“断裂但连接”）。这一机制揭示了纠缠的微纤维如何通过滑动和摩擦来耗散断裂能量，从而保持结构连续性[15]、[16]、[17]、[18]。受到这一生物启发的我们假设，将PLGA加工成连续的纳米纤维网络，并同时优化其结晶度，可以复制这种增韧机制。这将有效地赋予支架所需的弹性恢复和疲劳抗性，以承受循环动态载荷。

在此，我们提出了一种新型策略，用于制备具有程序化降解和增强机械韧性的仿生聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）输尿管支架，如图1所示。这项工作的创新之处有三点。从结构上看，我们受到天然莲根独特结构的启发，开发了一种顺序电纺工艺来构建“纤维桥接”的互连网络，显著提高了径向疲劳抗性。从材料上看，我们系统地研究了不同单体比例下的结构-性能关系，并确定LA:GA 7:3的配方是触发从非晶态到半晶态相变的关键阈值。从机制上看，我们阐明了这种结构和组成的协同作用有效地将降解途径从快速的自催化整体分解转变为高度稳定的、扩散限制的整体侵蚀过程。这种优化的仿生支架成功克服了传统支架在提供足够的机械支持和可控降解之间的困境，为泌尿组织工程提供了有前景的下一代替代方案。

章节摘录

材料

聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）共聚物具有不同的乳酸与羟基乙酸摩尔比（LA:GA = 50:50、60:40、70:30和80:20），购自深圳聚盛科技有限公司。根据制造商的凝胶渗透色谱（GPC）分析，这些共聚物的重量平均分子量（M_w）分别为约87,000 Da、114,000 Da、101,000 Da和119,000 Da，多分散指数（PDI）≤ 2.0。三氟乙酸（TFA，分析级）

管状支架的制备行为和结构调控

本阶段的主要目标是优化电纺参数，以制备具有理想宏观管状几何形状和微观纳米纤维的输尿管支架。对于这一系统性的过程优化（包括PVP浓度和旋转速度），采用了LA:GA 50:50的配方作为代表性模型材料。图2系统地展示了聚维吡咯烷酮（PVP）牺牲层的浓度和旋转速度

结论

总之，成功开发了一种具有优异机械韧性和可控降解特性的仿生PLGA管状支架，适用于输尿管支架应用。通过优化电纺参数并系统地调整乳酸与羟基乙酸（LA:GA）的摩尔比，我们建立了明确的结构-性能关系。结果表明，LA:GA 7:3的配方是一个关键阈值，引发了从非晶态到半晶态的相变

CRediT作者贡献声明

严鹏宇：研究、数据分析。贾璐：资源获取。张玉静：资源获取。朱金龙：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。刘书强：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。纪梦娇：研究、数据分析。孙瑞：研究、数据分析。姚亚楠：验证、数据

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

支持本研究发现的数据可向相应作者索取。

关于手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明：

在准备这项工作时，作者使用了生成式AI工具来协助绘制概念机制插图（图1）的视觉元素。基本的科学概念和逻辑设计完全由作者提出。使用AI工具后，作者对生成的图像进行了广泛的编辑、组装和严格审查，以确保科学准确性。作者对出版物的最终内容负全责。没有使用AI

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了山西省基础研究计划（编号：202203021211146、202303021211072、202203021212258）的支持，以及中国山西省奖学金委员会（编号：2025-082）的研究项目、山西省重点研发项目（编号：202302040201009）和太原大学大学生创新培训计划（编号：Yao Yanan）的支持。