研究综述︱可梯度缓释生物活性分子的有序支架在再生医学领域的研究进展

原创陈珍妮李晓然中科院再生医学

有序纤维、梯度信号分子在天然组织中普遍存在并发挥重要作用。神经、肌腱、韧带和肌肉组织等由有序排列的纤维组成，有序结构可引导组织分化的方向排列及生物信号、力学信号的传导。梯度有序生物信号在组织发育和再生过程中具有举足轻重的作用，如胚胎期维甲酸梯度信号分子直接决定了胚胎的正常发育。

近几十年来，组织再生的研究成为热点，能够模拟天然组织或器官结构和微环境的仿生支架在再生医学领域具有广阔的应用前景。有序仿生支架具有控制细胞行为、增强其力学性能的潜力。目前为止，人们已经开发出各种技术来制备具有不同微观结构的有序纤维，主要包括静电纺丝技术、冷冻干燥及3D打印技术。

静电纺丝技术

静电纺丝技术是得到有序纤维简单而通用的制造方法。如通过电纺得到的有序多层纳米纤维支架已被证明可改善肌腱相关基因表达和其力学性能。

尽管纳米纤维在再生医学中的应用中取得很大的进展，但由于微孔尺寸和二维结构的限制，使其应用受到极大的限制。近年来，三维电纺纤维支架的研究具有突破性进展。华盛顿大学夏幼南教授团队[1]将随机或有序的二维纳米纤维电纺膜，利用气相发泡技术使其膨胀为三维纳米纤维支架。他们使用硼氢化钠产生氢气气泡来实现支架的膨胀。结果表明注射型、超弹性三维纳米纤维有序支架具有较高的止血和凝血能力。

冷冻干燥技术

冷冻干燥技术，又称真空冷冻干燥技术，是将制品冻结到共晶点温度以下，充分冻结水分后，在适当的温度和真空度下，利用升华原理去除产品中的水分，获得干燥制品的技术。通过冷冻干燥技术可以制备多孔、有序的支架，而且能够使湿态材料快速脱水而不破坏其三维结构。

东华大学丁彬教授团队[2]将冷冻干燥与静电纺丝技术结合制备三维的短纳米纤维水凝胶有序支架，这种支架具有超高含水量、超弹性、形状记忆功能等。

中国科学院遗传发育所戴建武团队[3]将与药物结合的脂质体包裹在有序胶原支架上开发出功能性胶原支架，延长紫杉醇的持续释放时间。将担载神经干细胞的功能胶原支架植入大鼠脊髓T8全横断部位，功能支架为神经干细胞分化为神经元提供了有益的微环境，动物实验研究结果显示功能胶原支架促进脊髓损伤大鼠的运动功能的修复。

3D打印技术

3D打印技术是近年来兴起的在生物医用领域发展迅猛的一项技术。3D打印技术具有精准化、个性化特点，能够打印出三维复合有序支架、特定的组织或器官。

韩国成均馆大学Geun Hyun教授团队[4]通过3D打印技术PVA浸出工艺相结合，制备有序PCL微纤维束来模拟肌肉的微纤维结构。在有序PCL结构涂上胶原蛋白，为提高成肌细胞的黏附、增殖、分化提供更良好的微环境。

通过上述各种方法可以成功制备有序纤维。除了排列整齐的支架，生物活性信号的梯度对干细胞的细胞伸展、迁移和分化以及组织再生都有深远的影响。因此，许多研究致力于开发具有生物分子梯度的定向支架。生物活性分子梯度可通过静电纺丝、3D打印、逐步输注等方法实现。

静电纺丝

戴建武研究员团队[5]制备基质细胞衍生因子-1α（SDF-1α）梯度释放的有序电纺纳米纤维，梯度的形成是因为圆形的电纺有序纤维膜从圆中心到周边呈现逐步降低的纤维密度，从而使固定在纤维上的因子呈现梯度分布，结果表明有序排列、SDF-1α梯度释放的支架可显著诱导神经干细胞迁移。

3D打印

天津大学刘文广教授团队[6]通过3D打印技术开发出梯度双层水凝胶支架，上层是转化生长因子-β1（TGF-β1），下层是β-磷酸三钙（β-TCP），打印出的梯度双层水凝胶支架会刺激软骨和骨再生。

明尼苏达大学McAlpine教授团队[7]通过3D打印技术制备梯度担载神经生长因子（NGF）和神经胶质源神经营养因子（GDNF）的有序神经支架用于感觉神经和运动神经再生。此外，担载不同活性因子的3D打印支架在骨与肌腱/韧带界面处可同时促进硬组织骨与软组织肌腱、韧带的修复。

逐步输注

夏幼南教授团队[8]采用逐步输注方法实现支架梯度。将定向纤维支架中心部分用一根铜丝抬高成锥形，然后将支架放入容器中(直立或倒置)，然后滴入牛血清白蛋白(BSA)溶液，形成圆形梯度。在有序支架上滴入层粘连蛋白和表皮生长因子（EGF）溶液，研究结果表明层粘连蛋白和EGF梯度分别促进成纤维细胞和角质细胞从外周向支架中心迁移。

该综述文章由戴建武研究团队于近日发表于Polymer杂志，系统评述了有序排列、梯度释放生物活性分子的生物支架在再生医学领域的最新研究进展。作者指出了梯度有序支架应用于再生医学领域存在的挑战和未来发展方向，对我们了解仿生支架在再生医学领域的应用前景及设计开发性能更优异的支架具有指导意义。

参考文献：

1. Jiang, J.; et al. Expanding two-dimensional electrospun nanofibermembranes in the third dimension by a modified gas-foaming technique. ACSBiomater. Sci. Eng. 2015, 1, 991–1001.

2. Li, X.; et al. Acollagen microchannel scaffold carrying paclitaxel-liposomes induces neuronaldifferentiation of neural stem cells through Wnt/beta-catenin signaling forspinal cord injury repair. Biomaterials 2018, 183, 114–127.

3. Si, Y.; et al. Ultrahigh-water-content, superelastic, and shape-memory nanofiber-assembledhydrogels exhibiting pressure-responsive conductivity. Adv. Mater. 2017,29, 1700339.

4. Kim, W.; Kim, M.; Kim, G.H.3d-printed biomimetic scaffold simulating microfibril muscle structure.Adv.Funct. Mater. 2018, 28, 1800405.

5. Li, X.; et al. Radially aligned electrospun fibers withcontinuous gradient of SDF1alpha for the guidance of neural stem cells. Small 2016,12, 5009–5018.

6.Gao, F.; et al. Direct 3D printing of high strength biohybrid gradient hydrogel scaffoldsfor efficient repair of osteochondral defect. Adv. Funct. Mater. 2018,28, 1706644.

7. Johnson, B.N.; et al. 3D printed anatomical nerve regeneration pathways. Adv.Funct. Mater. 2015, 25, 6205–6217.

8. Wu,T.; et al. General method for generatingcircular gradients of active proteins on nanofiber scaffolds sought for woundclosure and related applications. ACS Appl. Mater. Interfaces.2018, 10,8536–8545.

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编辑：李佳音

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