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蘇大方劍、上海交大王文波 Nano Energy：壓電聚合物納米纖維的親水性修飾及其在誘導(dǎo)干細(xì)胞神經(jīng)分化和鋪展方面取得重要進(jìn)展
2022-08-16  來(lái)源：高分子科技
  由于細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)材料的黏附作用，細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)生物材料產(chǎn)生作用力。當(dāng)細(xì)胞貼附于壓電聚合物納米纖維膜時(shí)，壓電納米纖維由于自身的納米結(jié)構(gòu)能夠響應(yīng)微小的細(xì)胞牽拉力而產(chǎn)生同位的電信號(hào)。壓電納米纖維產(chǎn)生的電信號(hào)已被證明可有效調(diào)節(jié)細(xì)胞的形態(tài)、增殖和分化等活動(dòng)，而不需要添加化學(xué)誘導(dǎo)因子和額外的外界刺激，這為醫(yī)學(xué)治療提供了一種新思路。通常，需要對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的壓電聚合物材料進(jìn)行表面改性以促進(jìn)細(xì)胞的良好粘附，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更有效的機(jī)電信號(hào)傳輸。然而，常見(jiàn)的改性一方面容易隨時(shí)間退化，另一方面會(huì)破壞壓電納米纖維的納米結(jié)構(gòu)。


圖1 超聲激發(fā)PLLA納米纖維誘導(dǎo)聚多巴胺修飾的原理及改性材料在神經(jīng)干細(xì)胞分化和擴(kuò)增中的應(yīng)用。 （A）壓電電荷誘導(dǎo)多巴胺在PLLA納米纖維上原位聚合； （B）聚多巴胺改性支架提供良好的細(xì)胞粘附條件來(lái)高效地傳輸電信號(hào)和支架的形貌信息，以促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的分化和取向排列。


  近日，蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院的方劍教授和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院王文波主治醫(yī)師在壓電聚合物納米纖維的親水性修飾及其在誘導(dǎo)干細(xì)胞神經(jīng)分化和鋪展方面取得重要突破。相關(guān)成果以 “Piezoelectric charge induced hydrophilic poly(L-lactic acid) nanofiber for electro-topographical stimulation enabling stem cell differentiation and expansion”為題，在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nano Energy上。蘇州大學(xué)碩士生夏廣波和同濟(jì)大學(xué)博士后王國(guó)寶為共同第一作者，蘇州大學(xué)方劍教授和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院王文波主治醫(yī)師為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目重大項(xiàng)目的支持。


  這項(xiàng)研究首次利用超聲激發(fā)壓電材料所產(chǎn)生的表面電荷對(duì)材料進(jìn)行同位修飾。具體來(lái)說(shuō)，是借助超聲波激發(fā)壓電左旋聚乳酸（PLLA）所產(chǎn)生的壓電電荷來(lái)誘導(dǎo)多巴胺在納米纖維上進(jìn)行修飾。 由于多巴胺分子和超聲波激發(fā)的壓電電荷之間的靜電相互作用，聚多巴胺（PDA）在PLLA納米纖維的表面原位改性，從而保留了其納米纖維結(jié)構(gòu)（圖1 A）。相對(duì)于需要24小時(shí)才能獲得超親水表面的傳統(tǒng)浸涂改性工藝，壓電電荷輔助的PDA改性只需要30分鐘并且通過(guò)這種改性賦予的親水性可以在反復(fù)漂洗后持續(xù)保持。當(dāng)神經(jīng)干細(xì)胞在改性后的PLLA支架上培養(yǎng)時(shí)，PDA修飾的親水表面能夠?yàn)榧?xì)胞提供較為理想的粘附條件。在此基礎(chǔ)上，由細(xì)胞牽拉產(chǎn)生的原位電刺激可誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞在7天內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯著的神經(jīng)分化效果，而取向的納米纖維結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)細(xì)胞定向鋪展（圖1 B）。此外，結(jié)果還表明干細(xì)胞的分化程度和細(xì)胞沿定向納米纖維的定向生長(zhǎng)程度與粘附條件一致。值得注意的是，分化誘導(dǎo)過(guò)程似乎與細(xì)胞粘附條件關(guān)系更密切，而不是納米纖維膜壓電性的強(qiáng)弱。這些結(jié)果揭示了細(xì)胞粘附與支架表面形貌及電信號(hào)對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞作用效果的聯(lián)系，這可能有助于未來(lái)電活性支架的設(shè)計(jì)。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285522007686

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