近期，深圳大學劉洲研究員、孟思副研究員、孔湉湉教授聯(lián)合廣州中醫(yī)藥大學第四臨床醫(yī)學院，基于細菌纖維素特殊的納米纖絲結構開發(fā)了一種新型的具有異質多孔網(wǎng)絡結構的纖維狀生物支架材料。這項工作以《Tailoring the Heterogeneous Structure of Macro-Fibers Assembled by Bacterial Cellulose Nanofibrils for Tissue Engineering Scaffolds》為題發(fā)表在Small上。
圖1. 由細菌纖維素納米纖維制成的組織工程支架異質結構示意圖，其特征是皮層致密，芯層松散。這種獨特的設計增強了細胞粘附力，促進了細胞生長。
細胞外基質（ECM）的納米纖維網(wǎng)絡結構在形成和維持細胞和組織的物理結構方面發(fā)揮著關鍵作用，并指導細胞生長、排列和分化。然而，ECM來源少、存在跨物種病毒傳播風險、尺寸結構難以設計、機械性能及結構穩(wěn)定差等問題，限制了其應用。
細菌纖維素納米纖絲（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晶纖維素，其直徑為40-60納米。BCNF與ECM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構。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類ECM結構，為細胞生長提供機械優(yōu)異、抗溶脹和結構復雜的支架。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)學的生物支架材料。
由于細菌分泌的原始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菌纖維素納米纖絲（oxBCNF）的分散液來進行加工。然而，BC溶液無法保持BCNF獨特的納米纖絲結構，而oxBCNF分散液也會由于加工過程中的軸向剪切效應使得納米纖絲發(fā)生緊密堆積。因此都難以形成類ECM的三維網(wǎng)絡多孔結構。將BCNF加工成形狀可調控、具有三維網(wǎng)絡結構、抗溶脹性且利于細胞生長的類ECM生物支架仍然是一個挑戰(zhàn)。
結果表明，經(jīng)表面致密化的BC基水凝膠纖維的強度、模量及可拉伸性都得到了提升。而同時經(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基水凝膠纖維的細胞粘附性。這主要是因為oxBCNFs較高的表面負電位將阻止同樣帶負電位的細胞在纖維表面沉積，而過于疏松的表面則會導致細胞與纖維的接觸面積過小易脫附。帶有正電性氨基基團的PDA的沉積降低了宏觀纖維表面負電位，而溶劑的可控脫除使宏觀纖維表面致密化，增大了細胞與纖維表面的接觸面積。
通過對粘附在纖維DS-PDA@（BC/oxBCNFs）水凝膠纖維表面內皮細胞的CD31和F-肌動蛋白染色熒光圖可以看出，內皮細胞可以完全覆蓋纖維表面，表現(xiàn)出成熟的內皮化進程。而對纖維表面平滑肌細胞的α-SMA和F-肌動蛋白染色熒光圖可以看出，蛋白微絲在細胞質周圍形成繩索狀排列，這表明平滑肌細胞中蛋白的正常表達。而且，作者還發(fā)現(xiàn)平滑肌細胞中的F-肌動蛋白微絲在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胞正是沿著血管周向螺旋取向分布。這樣取向分布結構對血管的性能與功能的實現(xiàn)有重要作用，一方面這種結構有利于提高血管的抗張強度，防止血管脹破，另一方面這種結構也是實現(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，這個罕見的特征，并進一步突出了DS-PDA@（BC/oxBCNFs）水凝膠纖維作為血管組織工程支架的潛力。
作者簡介：
劉洲，深圳大學化學與環(huán)境工程學院特聘研究員、博導。主要從事微流控技術、流體物理、軟物質材料等方面的研究，在Nature Communications、Angewandte Chemie、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等研究領域重要期刊上發(fā)表論文50余篇。所獲榮譽包括日內瓦國際發(fā)明展銀獎、中國化學學會基礎研究二等獎、深圳市優(yōu)青、深圳市高層次人才計劃B類，擔任中國化工學會微化工專委會青年委員等職務。
孟思，深圳大學化學與環(huán)境工程學院副研究員，深圳市高層次人才。師從東華大學纖維領域知名學者朱美芳院士，主要從事纖維的制備與結構設計、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等研究領域重要期刊上發(fā)表論文10余篇，參與編寫纖維領域重要專著兩部。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202307603
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