静电纺丝在骨组织工程支架中的应用进展

静电纺丝在骨组织工程支架中的应用进展
细胞外基质为三维纳米网络结构，骨组织工程支架的发展方向正趋向于模仿这种天然构造。

静电纺丝技术是制备连续性纳米纤维的有效方法，并能通过调节其工艺参数而制备出不同直径（纳米或亚微米）的纤维，这与骨组织基质中的胶原等生物大分子的尺寸相近。

采用静电纺丝技术制备出的骨组织工程支架可以为细胞的黏附、增殖、分化等提供理想的微环境，有利于骨组织的再生。

本文总结了静电纺丝技术的基本结构原理和常用电纺材料各自的优缺点，并提出了静电纺丝技术制备骨组织工程支架的未来发展方向。

标签：静电纺丝；骨组织工程；支架；纳米纤维；生物相容性；生物材料
骨是一个高度复杂的组织，由骨组织、骨膜和骨髓等构成，含有胶原、糖胺聚糖、羟基磷灰石等成分。

它能够为软组织提供物理物理支撑，并构成关节参与机体的运动，同时能够承受负荷以保护某些内脏器官，是机体中重要的“钙、磷贮存库”。

近年来，因创伤、肿瘤等因素造成骨缺损的情况逐渐增多，传统的治疗方法主要为骨移植（包括自体骨移植和同种异体骨移植），但因骨移植的缺点如二次损伤、来源受限、排斥反应、交叉感染等而限制了其应用。

近年来组织工程领域的迅猛发展为具有生物功能的骨组织的修复和再生带来了巨大的希望。

组织工程是一个旨在修复受损组织的新兴综合性交叉学科，是生物医学和材料科学紧密结合的产物，其基本三要素包括：生物材料（即支架）、种子细胞、生长因子。

而支架作为关键因素之一，主要发挥着临时细胞基质的作用，它可为受损组织处的细胞提供生长所需的载体，该支架必须具备较好的生物相容性（能够有利于细胞的粘附、增殖、分化、迁移以及新生组织的生长）、生物可降解性（支架的降解速率能和受损组织修复的速率相匹配）、和所修复组织相匹配的机械性能等，因此支架应该尽量模仿天然细胞外基质的某些有利的特征而提高其组织再生能力，如各种生物大分子相互交联而成的三维纳米纤维网络结构。

现如今，有多重方法能够制备纳米纤维，如自组装法、拉伸法、相分离法、模板合成法等，但如果综合考虑，如设备复杂性、工艺可控性、适纺范围、成本、产率以及纤维尺度可控性等方面的要求，这些方法仍有一定的局限性。

静电纺丝技术是一种能够直接、连续制备
纳米或者亚微米直径聚合物纤维支架的新兴技术，和传统的技术相比，它的制作工艺相对简单并且生产效率更高。

其制作出的三维多孔纳米纤维膜与天然的细胞外基质结构几乎完全相同，这种纳米结构的支架比表面积较大，能够吸附更多的蛋白质，暴露出更多的细胞膜受体结合位点，从而有利于细胞的黏附、增殖和细胞外基质的分泌[1]。

近年来，静电纺丝纳米支架因其具有更适合细胞生存的仿生微环境而逐渐受到骨组织工程领域的重视。

1静电纺丝的结构和原理
1.1 静电纺丝的结构
静电纺丝是通过静电力并使用聚合物溶液来制造纳米纤维的过程。

电纺装置主要包括三个部分：高压直流电源、带有喷头的液体供给装置、纤维接收装置[2]。

通过直流电源产生的高压电场，使电纺丝溶液带电并被极化从而形成射流。

液体供给装置一端带有细管（如常用的注射器或毛细玻璃管）的容器，用于盛装电纺丝溶液。

纤维接收装置是设置在喷头的前方的金属接收板，常用的是在金属板的平面上铺一层铝箔或者是旋转的滚筒。

1.2 静电纺丝的原理
静电纺丝和传统的纺丝加工技术不同，它通过高压电场使电纺丝溶液带电并被极化而发生形变，在喷头的末端形成锥形的液体（即泰勒锥），当液滴的表面张力小于其电荷斥力的时候，在液滴表面会高速喷出聚合物微小液体流，即“射流”，这些射流在一个较短的距离内经过电场力的高速拉伸、溶剂挥发与固话，最终沉积在接收极板上，形成聚合物纤维[3]。

通过静电纺丝技术制备的纤维，直径一般在几纳米到几微米之间，由这些纤维构成的三维立体空间结构，不但具备纳米颗粒的尺寸微小、比表面积高等优点，同时还有机械稳定性好，孔径小、孔隙率高、纤维连续性好等特性。

2骨组织工程支架中常用的静电纺丝材料
2.1 天然高分子材料
天然高分子材料一般都无毒，抗原性较弱，它们具有良好的亲水性、生物相容性、细胞亲和性，且其降解产物氨基酸可以被机体完全吸收。

常用的天然高分子材料有胶原、明胶、丝素蛋白、壳聚糖等。

胶原是天然骨基质中的主要成分，具有良好的生物相容性和生物降解性，是骨组织工程静电纺丝支架的常用材料。

电纺胶原支架对种子细胞的黏附、增殖、分化、细胞外基质的分泌以及发挥成骨功能均有明显的促进作用。

体内外研究证实，胶原支架能够为细胞和再生组织提供物理支撑，能够充当临时的细胞外基质而和细胞产生积极的相互作用，从而有利于骨组织的再生。

但胶原因其力学性能较差而不适用于承重部位，同时因其抗原性、高成本、难加工、降解速度不能控制等缺点而在一定程度上限制了它的单独应用。

明胶是胶原的水解产物，其氨基酸组成和胶原相似。

胶原蛋白水解时，其三股螺旋结构解开，因肽链分离和断裂程度的不同而形成了不同结构的明胶分子，它具有和胶原相类似的生物学特性，但和胶原相比，明胶因其价格低廉、加工过程相对简单等优点而逐渐应用于组织工程。

丝素蛋白主要来源于蚕丝，是一种无生理活性的天然蛋白质，主要由甘氨酸、
丙氨酸、丝氨酸序列重复组成。

具有其他高分子材料无法比拟的优点：独特的力学性能、生物相容性、易加工性、可控的生物降解性等。

并且在体内所引起的炎症反应最小，具有良好的水、氧气渗透性，廉价易得。

上述特性使得丝素蛋白成为骨组织工程领域研究的重点之一[4]。

壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的衍生物，其主要成分和天然细胞基质中的氨基聚糖相似。

此类材料无毒性，具有抑制炎症反应的作用，但其力学性能较差，亦不能单独应用于承重部位骨缺损的修复。

2.2 合成高分子材料
常用于骨组织工程电纺丝支架的合成高分子材料有聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）
聚乙二醇（PEG）、聚己内酯（PCL）等。

这些可降解的合成聚合物有着良好的机械性能，生物降解性可控，且生产工艺相对简单，价格相对便宜，有利于大规模生产。

但其生物相容性和细胞亲和性不如天然高分子材料，亲水性较差，材料表面缺乏细胞识别信号，细胞黏附力较弱，不能和细胞产生生物性的相互作用，其降解产物易引发无菌性炎症，且聚合物在生产过程中残留的有机溶剂的细胞毒性作用可引起周围组织的免疫反应和纤维化。

目前主要通过材料表面的修饰、改性和与不同材料复合以克服上述缺陷。

2.3 生物活性陶瓷
生物活性陶瓷指能与活体骨组织、活体软组织形成化学键合的陶瓷材料，常用于骨组织工程静电纺丝支架的材料主要为羟基磷灰石（HA）、磷酸三钙（TCP）等磷酸钙陶瓷。

HA属于典型的生物活性陶瓷，其主要成分为钙、磷离子，与骨基质无机成分有着相似的化学成分和晶体结构。

HA具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性以及较高的机械强度，其诱导成骨的机制和能够强烈吸附骨形态发生蛋白、表皮生长因子等骨诱导因子有关。

植入机体后产生的游离的钙、磷离子能够进入活体循环系统而形成新骨。

材料轻度溶解后所形成的微碱性环境及高钙离子层可促进成骨细胞的黏附、增殖、细胞基质的分泌等，材料中的微量氟元素有利于成骨细胞合成DNA，并能提高碱性磷酸酶的活性。

TCP可分为高温相的α-TCP和低温相的β-TCP，它们的降解性能均优于HA，良好的降解性能使得它们作为骨组织工程支架时有利于新骨的改建与形成。

单一的磷酸钙陶瓷材料同样也会有其不足之处，如脆性大、抗折强度低，降解速度难以控制、不能与新骨的生长速度相匹配等。

2.4 复合材料
将不同的材料复合在一起用于支架中，能够充分发挥二者各自的优势，互相弥补各自的不足之处。

复合材料的静电纺丝支架已经成为骨组织工程研究的热点[5]。

如将天然高分子材料和合成高分子材料一起制备成的复合支架，既具备天然高分子材料优良的生物相容性，又具备合成高分子材料理想的生物降解性和机械性能。

合成高分子材料的降解产物为酸性，在植入体内后易引发无菌性炎症，而生物活性陶瓷偏碱性，因此将合成高分子材料和生物活性陶瓷复合在一起时，
既能够发挥高分子材料的降解性能，又能够让陶瓷材料的碱性中和其酸性降解产物，从而避免了无菌性炎症的发生。

从材料学的角度来看，骨组织实际上是一种有机-无机纳米复合材料，这种天然的构造决定了仿生支架应该将天然高分子材料和生物活性陶瓷结合在一起。

常用的方法是将生物活性陶瓷制备成纳米粒子，再和高分子电纺液充分混匀，最后运用静电纺丝技术便可以制备出天然高分子/生物活性陶瓷复合支架，这种有机/无机组成和纳米结构使得支架有利于细胞的生长和骨组织的再生。

3展望
通过静电纺丝技术制备的纳米纤维材料是近十几年来纳米材料科学技术领域的重要学
术与技术活动之一。

静电纺丝技术以其可纺物质种类繁多、制造装置简单、工艺可控、纺丝成本低廉等优点，已成为有效制备纳米纤维支架的主要途径之一。

静电纺丝纳米纤维支架因可以模拟骨组织高度多孔结构的仿生微环境而引起人们越来越多的关注，但其还存在一些不足之处，其性能距离临床应用还有一定的差距。

因此很多创新的方法已用于支架的修饰改性以提高其性能，电纺纳米支架今后的发展方向将主要集中在纳米纤维的功能化方面[6]。

支架构成的纳米纤维基质和天然细胞外基质有着相似的三维网络结构，纳米纤维的表面改性能够促进支架的生物功能化，从而促进细胞的黏附和生长。

将聚合物和天然蛋白复合在一起，能够充分发挥二者各自的优势，除了将二者混合或者在支架表面作蛋白质涂层之外，在纳米纤维表面共价接枝蛋白质是功能化的另一个选择。

然而，并非所有的表面修饰方法都适合功能化纳米纤维，只有较温和的方法才适用于纳米纤维的修饰，否则有可能会破坏纤维的纳米结构。

随着组织工程技术和纳米纤维的发展，电纺纳米支架在骨组织工程中将发挥着更大的作用。

参考文献
[1] 李波，张慧杰，廖晓玲，等. 磷酸钙陶瓷颗粒微纳米结构对蛋白吸附的影响[J] 高等学校化学学报，2012，33（3）：447-452
[2] 母静波. 电纺碳纳米纤维/金属氧化物复合材料的制备及在光催化和超级电容器方面的性质研究[D].东北师范大学，2013.
[3]覃小红，王善元. 静电纺丝纳米纤维的工艺原理，现状及应用前景[J]. 高科技纤维与应用，2004，29（2）：28-32.
[4]Zhang J G，Mo X M. Current research on electrospinning of silk fibroin and its blends with natural and synthetic biodegradable polymers[J]. Frontiers of Materials Science，2013，7（2）：129-142.
[5] Holmes B，Castro N J，Zhang L G，et al. Electrospun fibrous scaffolds for bone and cartilage tissue generation：recent progress and future developments[J].
Tissue Engineering Part B：Reviews，2012，18（6）：478-486
[6] Liao S，Li B，Ma Z，et al. Biomimetic electrospun nanofibers for tissue regeneration[J]. Biomedical Materials，2006，1（3）：R45。