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莫秀梅教授课题组在生物材料与组织工程领域取得系列新进展

发布时间:2020-07-10发布部门:化学化工与生物工程学院

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我校化学化工与生物工程学院莫秀梅教授课题组在静电纺丝纳米纤维生物材料用于组织再生领域取得系列新进展,相关成果以《药物缓释型乳液静电纺丝纳米纤维覆膜支架在颅内动脉瘤的应用》(An Atorvastatin Calcium And Poly(L-Lactide-Co-Caprolactone)Core-Shell Nanofiber-Covered Stent to Treat Aneurysms and PromoteReendothelialization)、《具有抗凝特性、力学匹配的纳米纤维管状支架用于血管组织再生》(Mechanical Matching Nanofibrous Vascular Scaffold With EffectiveAnticoagulation for Vascular Tissue Engineering)、《一种可降解的多功能纳米纤维膜用于牙周组织再生》(A Biodegradable Multifunctional Nanofibrous Membranes forPeriodontal Tissue Regeneration)为题,发表在生物材料主流杂志《生物材料学报》(Acta Biomaterialia)和《复合材料B分册:工程》(Composites Part B: Engineering)。论文第一作者分别是化学化工与生物工程学院硕士研究生楚瑨、朱晶晶、刘学哲,通讯作者为十大网赌信誉平台莫秀梅教授、吴晶磊讲师、上海交通大学附属第六人民医院王武教授、上海交通大学朱同贺博士后,十大网赌信誉平台为第一完成单位。

共聚物乳酸己内酯共聚物(PLCL)用于静电纺丝制备工艺时,具有操作高效简单的优点,而且这类聚酯类合成材料可以通过酯水解的方式无毒性降解。同时PLCL具有力学韧性,作为人工血管时表现出良好的回弹性。乳液静电纺丝通过添加乳化剂使油相和水相发生分离形成稳定的W/O型乳状纺丝液,在静电纺过程中包覆在油相溶液中的水相小液滴由于静电拉伸力影响两种溶液之间摩擦力而形成“皮-芯”结构,药物被包在纤维的芯层而缓慢释放。利用以上特性,莫秀梅教授课题组从仿生天然血管力学性能出发,选用Willis裸支架为支架骨架,PLCL为“皮-芯”结构皮层材料,通过乳液静电纺丝将促内皮化药物阿托伐他汀钙(AtvCa)包覆在纳米纤维芯层(图1所示),实现药物的长期缓释。并将PLCL-AtvCa覆膜支架植入动脉瘤建模实验动物,将动脉瘤与血管通路隔绝,以动脉瘤瘤体无营养萎缩为目的制备人工载药血管支架。


 图1乳液静电纺纳米纤维覆膜支架用于隔离动脉瘤示意图

 图2纳米纤维覆膜支架植入实验动物模型一个月后支架横切面染色图。

研究团队对纳米纤维膜的理化性质、细胞相容性及促内皮化性能进行了系统的表征和评估。结果表明,PLCL-AtvCa纳米纤维血管支架有利于内皮细胞的粘附和增殖,其增殖能力随着AtvCa负载浓度的增加不断提高。将PLCL-AtvCa纳米纤维覆膜支架植入动脉瘤建模实验动物动脉瘤位置,一个月后取出覆膜支架发现支架内表面被光滑新生组织覆盖;组织学表征表明瘤体出现萎缩,PLCL-AtvCa纳米纤维覆膜支架内层有新生内膜生成,覆膜支架完整封闭了动脉瘤,使动脉瘤无营养而凋零,AtvCa的逐渐释放促进了血管新生内膜的形成(图2)。相关研究成果发表在Acta Biomaterialia, 2020, 111, 102–117上。

生物可降解聚氨酯弹性体具有化学结构多样性和良好的力学性能和生物相容性,在组织工程和药物缓释领域得到广泛的研究和应用。可根据不同的应用需求,对可降解聚氨酯弹性体的分子结构进行个性化设计与合成。虽然可降解聚氨酯 (PEUU)具有良好的力学性能,但单纯的PEUU不仅偏疏水性,细胞相容性和血液相容性也不能完全满足血管组织工程支架的实际应用需求。针对以上问题,莫秀梅教授课题组采用天然高分子材料明胶与PEUU进行复合,通过静电纺丝技术制备PEUU/明胶纳米纤维管状支架,并将抗凝血药物肝素与复合纳米纤维结合,制备出抗凝血PU75-E/N-Hep纳米纤维管状支架(图3)。


图3PU75-E/N-Hep纳米纤维管状支架的制备过程示意图

团队对该纳米纤维管状支架的理化性质、细胞相容性、血液相容性和组织相容性进行了系统的表征和评价。发现制备的PU75-E/N-Hep纳米纤维管状支架具有良好的纳米纤维结构;呈现出与天然血管相匹配的力学性能;能促进脐静脉内皮细胞的粘附与增殖;能抑制血小板的粘附,具有良好的血液相容性。将PU75-E/N-Hep纳米纤维管状支架植入大鼠的腹主动脉缺损处,用于原位再生,对取出的新生血管进行各项组织学表征,发现没有出现明显的血栓和急性内膜增生。PU75-E/N-Hep纳米纤维管状支架在体内能够快速形成内皮层,随着支架中明胶成分的降解,平滑肌细胞能长入支架,对新生的血管组织起到力学支撑,免疫荧光结果显示新生血管的结构与自体血管高度相似。PU75-E/N-Hep纳米纤维管状支架移植大鼠腹主动脉4周后再生的血管组织,与大鼠自体腹主动脉的组织具有相似的免疫荧光染色结果(图4),PU75-E/N-Hep纳米纤维管可用于血管组织再生。研究成果发表在Composites Part B: Engineering,2020, 186,107788上。

 图4 大鼠自体腹主动脉与PU75-E/N-Hep纳米纤维管状支架移植4周的组织切片免疫荧光染色结果

基于GTR膜的引导组织再生术是临床牙周组织再生中最常用的治疗手段之一。然而,目前临床上常用的引导组织再生膜或多或少都存在其内在的缺点,如常用于牙周组织再生中的聚四氟乙烯膜因为其不可降解,需要进行二次手术取出,这不仅增加了伤口感染的风险同时会对伤口造成二次伤害;其他可降解膜大多存在力学不稳定,生物活性不足以及功能性缺乏等缺点。基于此,莫秀梅教授课题组结合了可降解材料:聚乳酸(PLA),明胶(gelatin)和纳米氧化镁(nMgO)颗粒其各自的优点,在优化纺丝条件后,成功通过共混静电纺丝技术制备出了PLA/gelatin/nMgO复合纳米纤维膜。研究发现,PLA/gelatin/nMgO具有良好的力学顺应性和生物相容性,并且其力学性能可以根据所添加nMgO颗粒含量的不同进行调整。PLA/gelatin/nMgO复合纳米纤维膜能很好地阻止成纤维细胞的快速渗入,起到屏障成纤维组织侵入牙槽骨中的作用。以大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)为模式细胞,评价了纳米纤维膜的促成骨活性,发现含有0.5%-1.5%nMgO的纳米纤维膜具有优异的促干细胞成骨分化作用。PLA/gelatin/nMgO膜还表现出抗菌作用,研究团队以大肠杆菌(E.Coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)为模式细菌表征了它的抗菌作用,结果发现随着膜中nMgO含量的增多,纤维膜表现出极强的抗菌性能,如图5所示。

图5(A)与纤维膜共培养一天后琼脂板上活菌的数码照片;(B)琼脂板活菌数的定量分析;(C)膜上的细菌的电镜图

随后,研究团队在大鼠牙周缺损模型中评估了利用GTR技术评估了纳米纤维膜的牙周修复效果。研究发现,与空白对照组和单纯的PLA/gelatin纳米纤维膜相比,参有nMgO的纳米纤维膜能显著提升牙周缺损的恢复,如图6所示。

图6(A) 牙周缺损模型图;(B) 牙周缺损制备手术图;(C) Micro-CT; (D) 基于Micro-CT的牙槽骨相关参数分析图

这些结果表明,莫秀梅教授团队制备的可降解多功能纳米纤维膜有可能作为一种新型的引导组织再生膜,用于牙周组织修复再生,并且为设计理想的GTR膜提供了设计思路。该研究成果发表在Acta Biomaterialia, 2020,108,207–222上。

上述研究成果得到了中央高校基本科研业务费专项资金资助、国家重点研究发展计划、国家自然科学基金、上海市科学技术委员会项目的资助。原文链接如下:

 https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.04.044

 https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.107959 

 https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.03.044


视频:   摄影: 撰写:楚瑨、朱晶晶、刘学哲  信息员:曾铮  编辑:朱一超

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