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深圳大學(xué)劉洲、孟思 Small:細(xì)菌纖維素納米纖絲組裝且具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的組織工程纖維
2024-02-03  來源:高分子科技

  近期,深圳大學(xué)劉洲研究員、孟思副研究員、孔湉湉教授聯(lián)合廣州中醫(yī)藥大學(xué)第四臨床醫(yī)學(xué)院,基于細(xì)菌纖維素特殊的納米纖絲結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種新型的具有異質(zhì)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的纖維狀生物支架材料。這項(xiàng)工作以《Tailoring the Heterogeneous Structure of Macro-Fibers Assembled by Bacterial Cellulose Nanofibrils for Tissue Engineering Scaffolds》為題發(fā)表在Small上。


1. 由細(xì)菌纖維素納米纖維制成的組織工程支架異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖,其特征是皮層致密,芯層松散。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了細(xì)胞粘附力,促進(jìn)了細(xì)胞生長。


  細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在形成和維持細(xì)胞和組織的物理結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,并指導(dǎo)細(xì)胞生長、排列和分化。然而,ECM來源少、存在跨物種病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)、尺寸結(jié)構(gòu)難以設(shè)計(jì)、機(jī)械性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定差等問題,限制了其應(yīng)用。


  細(xì)菌纖維素納米纖絲(BCNF)是由一種醋酸菌屬、根瘤菌屬或土壤桿菌屬等微生物分泌而成的纖維狀高結(jié)晶纖維素,其直徑為40-60納米。BCNFECM主要成分膠原納米纖維有許多相似之處。例如,它們具有相同的自組裝潛力,并具有相同的次級束狀原纖維結(jié)構(gòu)。BCNF生物相容性優(yōu)異、可生物降解,并且具有高的持水能力。更重要的是,BCNF富含羥基,可以通過氫鍵連接并交織形成三維ECM結(jié)構(gòu),為細(xì)胞生長提供機(jī)械優(yōu)異、抗溶脹和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支架。因此,BCNF是膠原納米纖維的極好替代品,用于制造適用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)的生物支架材料。


  由于細(xì)菌分泌的原始BCNF的宏觀形狀為膜狀,往往不能滿足生物支架外形需求,需要進(jìn)行二次加工。目前BC基生物支架主要的制備策略是使用其溶液或其氧化物氧化細(xì)菌纖維素納米纖絲(oxBCNF)的分散液來進(jìn)行加工。然而,BC溶液無法保持BCNF獨(dú)特的納米纖絲結(jié)構(gòu),而oxBCNF分散液也會(huì)由于加工過程中的軸向剪切效應(yīng)使得納米纖絲發(fā)生緊密堆積。因此都難以形成類ECM的三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)。將BCNF加工成形狀可調(diào)控、具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、抗溶脹性且利于細(xì)胞生長的類ECM生物支架仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。


  針對此問題,作者結(jié)合課題組前期研究,以BC分子的水溶液和oxBCNF的分散體的混合物為紡絲液,使用微流控同軸紡絲裝置,并結(jié)合低速旋轉(zhuǎn)凝固浴紡絲技術(shù),實(shí)現(xiàn)了中空纖維狀BC基生物支架的連續(xù)制備。低擠出速度和旋轉(zhuǎn)凝固浴削弱了擠出的軸向剪切取向作用,防止了oxBCNF的緊密堆積。溶解的BC分子則可以作為粘合劑穩(wěn)固oxBCNF松散堆積形成的三維網(wǎng)絡(luò)。為了改善生物支架的細(xì)胞粘附性并進(jìn)一步提高其機(jī)械強(qiáng)度,作者通過溶劑的可控脫除及原位聚合技術(shù),實(shí)現(xiàn)生物支架“外密內(nèi)疏”的異質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及聚多巴胺的表面沉積,分別制備出致密表面的DS-BC/oxBCNFs水凝膠纖維和DS-PDA@BC/oxBCNFs)水凝膠纖維。 


2BC基水凝膠纖維的制備和結(jié)構(gòu)。(a) DS-PDA@BC/oxBCNFs)水凝膠纖維的制備過程示意圖;(b,c)收集成卷的DS-BC/oxBCNFs水凝膠纖維和打結(jié)的DS-BC/oxBCNFs水凝膠纖維的光學(xué)照片;(d,e)收集成卷的DS-PDA@BC/oxBCNFs)水凝膠纖維和打結(jié)的DS-PDA@(BC/oxBCNFs) 水凝膠纖維的光學(xué)照片。

  結(jié)果表明,經(jīng)表面致密化的BC基水凝膠纖維的強(qiáng)度、模量及可拉伸性都得到了提升。而同時(shí)經(jīng)過表面致密化及PDA原位沉積處理的DS-PDA@BC/oxBCNFs)水凝膠纖維表現(xiàn)出明顯優(yōu)于其它BC基水凝膠纖維的細(xì)胞粘附性。這主要是因?yàn)?/span>oxBCNFs較高的表面負(fù)電位將阻止同樣帶負(fù)電位的細(xì)胞在纖維表面沉積,而過于疏松的表面則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞與纖維的接觸面積過小易脫附。帶有正電性氨基基團(tuán)的PDA的沉積降低了宏觀纖維表面負(fù)電位,而溶劑的可控脫除使宏觀纖維表面致密化,增大了細(xì)胞與纖維表面的接觸面積。 


3BC基水凝膠纖維的性能分析。(a) LS-BC/oxBCNFs纖維、DS-BC/oxBCNFs纖維、LS-PDA@BC/oxBC NFs)纖維和DS-PDA@BC/OxBC NFS)纖維的力學(xué)性能比較;(b) 與BC/oxBCNFs纖維或PDA@BC/oxBC NFs)纖維共培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的細(xì)胞活性;(c1-c4)與LS-BC/oxBCNFs纖維、DS-BC/oxBCNFs纖維、LS-PDA@BC/oxBCNFs)纖維和DS-PDA@BC/oxBCNFs)纖維共培養(yǎng)4天的內(nèi)皮細(xì)胞的粘附、鋪展和增殖情況;(c5-c8)與LS-BC/oxBCNFs纖維、DS-BC/oxBCNFs光纖、LS-PDA@BC/oxBC NFs)纖維或DS-PDA@BC/oxBCNFs)纖維共培養(yǎng)4天的平滑肌細(xì)胞的粘附、鋪展和增殖情況。

  通過對粘附在纖維DS-PDA@BC/oxBCNFs)水凝膠纖維表面內(nèi)皮細(xì)胞的CD31F-肌動(dòng)蛋白染色熒光圖可以看出,內(nèi)皮細(xì)胞可以完全覆蓋纖維表面,表現(xiàn)出成熟的內(nèi)皮化進(jìn)程。而對纖維表面平滑肌細(xì)胞的α-SMAF-肌動(dòng)蛋白染色熒光圖可以看出,蛋白微絲在細(xì)胞質(zhì)周圍形成繩索狀排列,這表明平滑肌細(xì)胞中蛋白的正常表達(dá)。而且,作者還發(fā)現(xiàn)平滑肌細(xì)胞中的F-肌動(dòng)蛋白微絲在DS-PDA@BC/oxBCNFs)水凝膠纖維表面呈現(xiàn)出罕見的螺旋取向分布,這表明平滑肌細(xì)胞也是在纖維表面呈螺旋取向分布的。而血管中的平滑肌細(xì)胞正是沿著血管周向螺旋取向分布。這樣取向分布結(jié)構(gòu)對血管的性能與功能的實(shí)現(xiàn)有重要作用,一方面這種結(jié)構(gòu)有利于提高血管的抗張強(qiáng)度,防止血管脹破,另一方面這種結(jié)構(gòu)也是實(shí)現(xiàn)血管通過收縮舒張來輔助血液傳輸這一功能的重要先決條件。因此,這個(gè)罕見的特征,并進(jìn)一步突出了DS-PDA@BC/oxBCNFs)水凝膠纖維作為血管組織工程支架的潛力。 


4. DS-PDA@BC/oxBCNFs)纖維上內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中蛋白質(zhì)表達(dá)的熒光顯微鏡圖像。(a1-a3)內(nèi)皮細(xì)胞的染色的CD31、細(xì)胞核和CD31/細(xì)胞核的熒光顯微鏡圖像;(b1-b3)內(nèi)皮細(xì)胞的染色的F-肌動(dòng)蛋白、細(xì)胞核和F-肌動(dòng)蛋白/細(xì)胞核的熒光顯微鏡圖像;(c1-c3)平滑肌細(xì)胞的染色的α-SMA、細(xì)胞核和α-SMA/細(xì)胞核的熒光顯微鏡圖像;(d1-d3)平滑肌細(xì)胞的染色的F-肌動(dòng)蛋白、細(xì)胞核和F-肌動(dòng)蛋白/細(xì)胞核的熒光顯微鏡圖像。


作者簡介:


  劉洲,深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院特聘研究員、博導(dǎo)。主要從事微流控技術(shù)、流體物理、軟物質(zhì)材料等方面的研究,在Nature Communications、Angewandte Chemie、Advanced Materials、Advanced Functional MaterialsACS Nano等研究領(lǐng)域重要期刊上發(fā)表論文50余篇。所獲榮譽(yù)包括日內(nèi)瓦國際發(fā)明展銀獎(jiǎng)、中國化學(xué)學(xué)會(huì)基礎(chǔ)研究二等獎(jiǎng)、深圳市優(yōu)青、深圳市高層次人才計(jì)劃B類,擔(dān)任中國化工學(xué)會(huì)微化工專委會(huì)青年委員等職務(wù)。


  孟思,深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院副研究員,深圳市高層次人才。師從東華大學(xué)纖維領(lǐng)域知名學(xué)者朱美芳院士,主要從事纖維的制備與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能可穿戴、生物支架材料等方面的研究,以第一作者及通訊作者在Biomaterials、Nano Research、Small、Small Method等研究領(lǐng)域重要期刊上發(fā)表論文10余篇,參與編寫纖維領(lǐng)域重要專著兩部。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202307603

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