可用于先进组织工程应用的多功能双层大分子纤维

《iScience》：Versatile twin layer macromolecular fibers for advanced tissue engineering applications

　　

寻找具备所有必需特性以替代特定组织的理想生物材料是一项尚未解决的挑战。本研究通过加压旋转纺丝技术制备了由两种成熟的医用生物材料——聚羟基脂肪酸酯（PHAs）和聚乳酸（PLA）构成的双层纤维，并对其表面性能、力学性能以及针对硬组织和软组织工程的一系列细胞类型的体外细胞响应进行了全面表征。所制备纤维的直径范围为0.9至1.2 μm。与PLA壳层纤维相比，PHA壳层纤维因其相对更高的生物相容性、增加的表面粗糙度和蛋白质吸附能力，提高了活细胞的附着率。以PLA作为核层增加了纤维的刚度和拉伸强度。该方法以经济高效、可规模化且可持续的方式生产纤维，为组织再生的临床挑战性需求提供了高效解决方案。

**多功能双层大分子纤维用于先进组织工程应用——论文解读**

**一、研究背景与科学问题**

组织工程处于替代和再生病变及受损组织器官的前沿，其核心理念是利用患者自体细胞在模拟细胞外基质（ECM）的三维支架上生长。由于移植器官的严重缺乏，临床上对基于组织工程的组织器官替代需求日益迫切，进而对生物材料制造的3D支架提出了更高要求。由天然及合成生物材料制备的聚合物纤维，因其能模拟ECM的纤维状结构，并具备多孔微结构和有利于细胞粘附、增殖和分化的大表面积与体积比，被认为是最具潜力的组织工程支架。然而，由单一材料制备的纤维支架往往无法复现不同生物系统的复杂性，例如不同生物材料在生物相容性和力学性能上的显著差异。因此，采用两种不同聚合物构成的双层纤维，即核-壳（C-S）结构纤维，已成为应对上述挑战的创新策略。在此结构中，核层材料提供力学支撑，壳层材料提供生物活性/功能性，从而制造出适用于硬组织和软组织的可定制纤维。尽管多种方法如同轴静电纺丝和同轴离心纺丝已被开发用于C-S纤维的规模化生产，但它们均存在纤维形貌控制困难、生产效率低和产量不高等局限。为克服这些挑战，核-壳加压旋转纺丝（C-S PG）技术应运而生。该技术结合压力与离心力，能够以低成本和可持续的方式大规模生产纳米至微米尺度的C-S纤维，相较于需要高压电场且对湿度敏感的传统静电纺丝具有显著优势。本研究聚焦于利用C-S PG技术，以聚羟基脂肪酸酯（PHAs）共混物和聚乳酸（PLA）为原料，构建C-S结构纤维，并对其在多种硬、软组织工程应用中的潜力进行系统评估。PLA是一种生物可吸收、生物相容性好的生物聚合物，具有高刚度和拉伸强度，但存在快速降解并产生酸性产物的局限；而PHAs是一类天然来源的聚酯家族，具有可调节的生物相容性和力学性能，通过可控表面侵蚀降解为天然代谢产物。研究假设将PHA共混物与PLA结合于C-S构型中，有望克服单一材料体系的不足，实现力学性能与生物活性的协同优化。

**二、主要技术方法**

研究人员采用核-壳加压旋转纺丝（C-S PG）技术制备双层纤维。聚合物溶液中，PLA以20%（w/v）浓度溶于氯仿，PHA共混物以11%（w/v）浓度溶于氯仿。通过在固定压力0.1 MPa和恒定转速6,000 rpm条件下旋转纺丝15秒，制备了C-S PLA:PHA（PLA核/PHA壳）、C-S PHA:PLA（PHA核/PLA壳）及单层PLA和PHA纤维。利用在线相衬断层扫描、扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜表征C-S纤维的截面结构与核壳形貌；采用原子力显微镜（AFM）测量表面粗糙度、粘附力及基于Derjaguin-Muller-Toporov（DMT）模型的弹性模量；通过水接触角测量和蛋白质吸附实验评估纤维表面特性。体外细胞实验涵盖了多种细胞类型，包括NG108-15神经元细胞、C2C12成肌细胞、人原代成骨细胞、BRIN-BD11大鼠胰腺β细胞以及条件永生化的肾小球足细胞（CIHPs），以评估纤维支架对细胞粘附、分化及功能的影响。

**三、主要研究结果**

**1. 双层核-壳纤维结构的确认与表征**：通过在线相衬断层扫描（图1A）、SEM（图1B、1C）和荧光显微镜（图1D、1E）清晰地可视化了C-S PLA:PHA纤维中PLA核层与PHA壳层的分层结构，证实了C-S PG技术能够成功制造具有明确核壳界面的双层纤维。

**2. C-S纤维的形态学与表面性能表征**：SEM图像分析显示，C-S PLA:PHA和C-S PHA:PLA纤维的直径分别为1.2 μm ± 0.3 μm和1.4 μm ± 0.3 μm，而单层PLA和PHA纤维直径分别为0.9 μm ± 0.2 μm和1.2 μm ± 0.2 μm。AFM分析表明，单层PHA共混纤维的表面粗糙度（Rq = 187.1 ± 5.2 nm）高于PLA纤维（Rq = 168.5 ± 8.3 nm）。在C-S纤维中，C-S PLA:PHA纤维表现出最高的表面粗糙度（Rq = 226.3 ± 32.6 nm），且比C-S PHA:PLA纤维具有更高的粘附力。PHA共混纤维和PHA壳层纤维表现出更高的孔隙率、表面粗糙度和蛋白质吸附能力。值得注意的是，C-S PLA:PHA纤维的弹性模量（213.3 ± 4.3 MPa）显著高于C-S PHA:PLA纤维（97.6 ± 3.6 MPa），表明PLA作为核层有效增强了纤维的整体刚度。

**3. NG108-15神经元细胞分化与活力**：免疫荧光染色显示所有纤维样品均支持NG108-15神经元细胞分化。C-S PLA:PHA纤维上52.4% ± 8.3%的细胞呈现神经突延伸，C-S PHA:PLA纤维为48.5% ± 9.3%，两者无显著差异，但均显著高于PLA纤维（12.6% ± 9.2%）。更重要的是，C-S PLA:PHA纤维支持的神经元平均神经突长度（125.6 ± 13.3 μm）显著长于PLA纤维（73.1 ± 12.7 μm），表明PHA壳层的引入对神经组织工程具有显著优势。

**4. C2C12成肌细胞分化**：在肌球蛋白染色呈阳性的基础上，所有纤维样品均支持肌管形成。C-S PLA:PHA纤维支持更长的肌管形成长度（98.4 ± 8.8 μm），虽与TCP对照组（108.1 ± 18.4 μm）无显著差异，但高于C-S PHA:PLA（71.7 ± 19.9 μm）和单层PLA（73.1 ± 12.7 μm）及PHA（76.3 ± 16.1 μm）纤维。

**5. 人原代成骨细胞矿化**：培养14天后，C-S纤维和PLA纤维上的矿化结节数量高于PHA共混纤维。碱性磷酸酶（ALP）活性测定显示，在第14天和第21天，C-S PLA:PHA、C-S PHA:PLA和PLA纤维上的ALP活性显著高于PHA共混纤维和TCP对照，表明具有较高刚度的纤维基质更有利于成骨细胞矿化。

**6. BRIN-BD11大鼠胰腺β细胞胰岛素分泌响应**：所有纤维基底均支持BRIN-BD11细胞的胰岛素分泌。在交替低/高葡萄糖浓度刺激下，各材料组的胰岛素分泌量均随葡萄糖浓度升高而显著增加，其中PHA纤维的响应最为显著。C-S PLA:PHA样品在血糖升高后胰岛素分泌显著增加，但恢复至基线水平时的下降幅度未达显著标准，而C-S PHA:PLA样品在血糖波动中的响应更为完整。

**7. 肾小球足细胞胶原IV形成**：所有纤维基底均支持CIHP细胞产生IV型胶原。PHA共混纤维上的IV型胶原表达量（37.1% ± 18.2%）显著高于C-S PLA:PHA（11.4% ± 2.6%）和C-S PHA:PLA（13.3% ± 4.8%）纤维，表明PHAs的生物活性特性在肾组织工程中具有独特优势。

**四、结论与意义**

本研究表明，结合C-S PG技术与PHAs/PLA材料体系，能够大规模制备具有定制性能的双层纤维支架。通过将不同材料作为核层或壳层，可以独立调节纤维的刚度、弹性、生物活性和降解动力学，从而满足骨、神经、心脏、胰腺、肾脏和皮肤等多种组织工程应用的需求。PHA作为壳层不仅提高了纤维的生物相容性和细胞粘附性，还因其表面侵蚀降解特性减少了炎症反应；PLA作为核层则赋予了纤维必需的力学强度，同时其体积降解产生的酸性环境可在特定情境下被利用。此外，C-S PG技术具有成本效益高、可扩展性和可持续性等突出优势，克服了传统纺丝技术产量低、能耗高的局限。该研究为组织工程和再生医学领域提供了一个多功能、高度可定制、生物活性优异的纤维支架平台，具有巨大的临床转化潜力。

研究人员也指出，目前的研究仅涉及体外实验验证，尚缺乏体内动物实验对生物相容性、支架整合、血管化和降解产物清除的评估。未来的工作将探索不同的纤维组合在相关离体和体内模型中的功能恢复效果，并优化核壳比例和纤维排列以更好地模仿目标组织的力学微环境。