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  近期，東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院張彥中教授課題組在仿生纖維用于組織再生研究領(lǐng)域取得最新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Stiffness of Aligned Fibers Regulates the Phenotypic Expression of Vascular Smooth Muscle Cells”和“Stiffness of the Aligned Fibers Affects Structural and Functional Integrity of the Oriented Endothelial Cells”為題，分別發(fā)表于生物材料相關(guān)領(lǐng)域的主流期刊ACS Appl. Mater. Interfaces和Acta Biomater.上。兩篇論文的第一作者均為化學(xué)化工與生物工程學(xué)院博士生易兵成。

  心血管疾病，尤其是因血栓形成或動(dòng)脈硬化等造成體內(nèi)小口徑血管堵塞，是引起死亡的重要原因之一。研發(fā)組織工程化血管（TEBVs）可為解決此類問題提供最有希望的解決途徑。目前，領(lǐng)域內(nèi)研究者在TEBVs的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（更側(cè)重仿生策略）、表面功能改性（如肝素、RGD活性成分的嫁接）等方面已取得較大進(jìn)展，且證實(shí)短時(shí)間內(nèi)可完全替代血管組織實(shí)施血管功能。但TEBVs長(zhǎng)期植入體內(nèi)后仍出現(xiàn)的血栓形成、內(nèi)膜增生等并發(fā)癥導(dǎo)致的低通暢率問題嚴(yán)重制約了其臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化，一個(gè)重要原因是TEBVs與天然血管的剛度不匹配性。盡管已有研究證實(shí)基質(zhì)剛度與血管細(xì)胞（血管平滑肌細(xì)胞SMCs和內(nèi)皮細(xì)胞ECs）間的關(guān)聯(lián)性，但這些研究大都忽視了這兩類重要血管細(xì)胞層的各向異性細(xì)胞形態(tài)特點(diǎn)。另一方面，雖然細(xì)胞形態(tài)與細(xì)胞功能密切相關(guān)，且通過(guò)采用取向纖維可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞方向性排列的有效誘導(dǎo)，但具有各向異性形態(tài)的細(xì)胞在功能上是否具有健康的細(xì)胞功能仍有待明晰。因此，深入研究取向性SMCs和ECs與血管支架剛度的依賴關(guān)系，將對(duì)基質(zhì)剛度在血管生理/病理重塑中的作用提供更有針對(duì)性和更深入的認(rèn)識(shí)。

  針對(duì)以上問題，張彥中教授課題組基于近年來(lái)所發(fā)展的一種穩(wěn)定射流同軸電紡技術(shù)（SJCES），選用剛性的聚乳酸（PLLA）作為芯層材料，彈性的乳酸-己內(nèi)酯共聚物（PLCL）作為殼層材料，通過(guò)調(diào)控單根纖維殼-芯厚度比例改變纖維剛度。結(jié)果表明，在控制紡絲液總注射速率0.5 mL/h的前提下逐漸提高芯層溶液PLLA紡絲液的注射速率，可在不影響整體纖維取向度和單根纖維直徑情況下，有效調(diào)控單根纖維的彈性模量在14.68~2141.72 MPa范圍變化，從而在一定程度上仿生天然血管的健康和病態(tài)下的組織剛度（圖1）。

圖1 基于單根纖維殼芯厚度調(diào)控策略，采用SJCES技術(shù)制備四種不同剛度的取向纖維：A）SJCES技術(shù)制備剛度可調(diào)的殼芯結(jié)構(gòu)取向纖維示意圖；B）取向纖維的直徑無(wú)顯著性差異；C）取向纖維的取向度無(wú)顯著差異；D）取向纖維的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；E）楊氏模量分析；F）剛度分析（改變芯層PLLA含量可使復(fù)合纖維的剛度調(diào)控范圍近150倍）

  基于上述取向纖維，課題組首先探索了取向纖維剛度對(duì)人臍動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（huaSMCs）功能表達(dá)的影響。結(jié)果證實(shí)，取向纖維剛度的變化對(duì)細(xì)胞形貌無(wú)顯著性影響，但卻促進(jìn)了huaSMCs中F-肌動(dòng)蛋白應(yīng)力纖維的形成，導(dǎo)致細(xì)胞增殖和遷移能力的增強(qiáng)，細(xì)胞表型向合成型、病態(tài)表型轉(zhuǎn)變（如收縮型標(biāo)志物α-SMA、SM-MHC、Calponin和Desmin表達(dá)下調(diào)，病變型標(biāo)志物OPN表達(dá)上調(diào)）。同樣，剛度過(guò)高的取向纖維也會(huì)促進(jìn)huaSMCs由收縮型向類巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)變，分泌炎癥因子募集炎癥細(xì)胞（如白細(xì)胞和巨噬細(xì)胞），破壞內(nèi)皮細(xì)胞的完整性和促進(jìn)SMCs的過(guò)度增殖，造成血栓形成和內(nèi)膜增生的發(fā)生（圖2A）。從材料選擇角度看，該研究結(jié)果也表明，雖然電紡PLLA纖維的微納米尺寸能夠賦予支架一定的柔軟性，但與彈性的 PLCL相比，PLLA并不是構(gòu)建血管組織工程支架的最佳材料選項(xiàng)。重要的是，論文結(jié)果強(qiáng)調(diào)血管細(xì)胞的形態(tài)“正確”并不意味著其具有“正確”的細(xì)胞功能這一重要研究結(jié)論，雖然有較多研究證明高度有序的血管細(xì)胞層更有利于維持細(xì)胞的功能表達(dá)。

圖2 取向纖維剛度對(duì)huaSMCs（A）和huvECs（B）功能表達(dá)的影響

  在上述工作的基礎(chǔ)上，課題組繼續(xù)探索了取向纖維剛度對(duì)另一重要血管細(xì)胞——取向內(nèi)皮層結(jié)構(gòu)和功能完整性的影響。結(jié)果證實(shí)，提高取向纖維剛度可通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞-基質(zhì)間相互作用，促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（huvECs）的粘附和細(xì)胞膜張力，但并不影響細(xì)胞鋪展行為。剛度提高促進(jìn)huvECs內(nèi)的應(yīng)力纖維形成，通過(guò)提高細(xì)胞自身收縮力破壞再生內(nèi)皮層的細(xì)胞-細(xì)胞間相互作用，導(dǎo)致huvECs細(xì)胞層致密完整性的破壞，使huvECs的遷移和增殖能力增強(qiáng)并降低其表達(dá)健康的功能表型和對(duì)支架的重塑能力。該結(jié)果強(qiáng)調(diào)在仿生天然細(xì)胞形態(tài)基礎(chǔ)上研究基底剛度對(duì)huvECs行為影響的重要性，證實(shí)取向纖維雖能誘導(dǎo)huvECs形成仿生天然血管內(nèi)皮層形態(tài)的取向細(xì)胞層，但支架剛度仍是影響細(xì)胞功能紊亂、破壞再生內(nèi)皮層完整性的重要因素（圖2B）。這進(jìn)一步印證了血管細(xì)胞的形態(tài)“正確”并不意味著其具有“正確”的細(xì)胞功能這一結(jié)論。

  通過(guò)電紡絲方法制備的納-微米超細(xì)纖維，因其纖維細(xì)度可模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)中纖維成分的超細(xì)度特點(diǎn)而被稱為“仿生纖維”，并已被廣泛應(yīng)用于各種組織工程研究。上述研究結(jié)果為在血管組織工程中理解體內(nèi)血管病理及基于仿生纖維的血管組織工程支架的設(shè)計(jì)和仿生構(gòu)建提供參考價(jià)值。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、中央高校學(xué)科交叉重點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目、中央高校博士創(chuàng)新基金和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的大力資助。

  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1021/acsami.9b00293

  https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.03.022