胶原/PCL电纺复合纤维的制备及性能研究文献综述

 2023-09-11 10:04:16

文献综述

1、课题研究的现状及发展趋势

组织工程（TissueEngineering），是一门以细胞生物学和材料科学相结合，进行体外或体内构建组织或器官、在人工器官技术、生物技术、生物材料技术等现代科学进展的基础上发展起来的一项综合性的高新技术，是跨世纪生物医学工程前沿领域之一[1,2]。组织工程主要有软骨和骨组织构建 、组织工程血管、神经组织工程、皮肤组织工程、口腔组织工程、肌腱韧带组织工程、眼角膜组织工程和肝、胰、肾、泌尿系统组织工程，应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科[1,2]。从机体内获取少量的活体组织，用酶法或其他方法将细胞（又称种子细胞）从组织中分离出来在体外进行培养扩增，然后将扩增的细胞与具有良好生物相容性、可降解性和可吸收的生物材料（支架）按一定的比例混合，使细胞黏附在生物材料（支架）上形成细胞-材料复合物；将该复合物植入机体的组织或器官病损部位，随着生物材料在体内逐渐被降解和吸收，植入的细胞在体内不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，从而达到修复创伤和重建功能的目的。生物材料支架所形成的三维结构为细胞获取营养、生长和代谢提供了一个良好的环境。组织工程学的发展提供了一种组织再生的技术手段，将改变外科传统的“以创伤修复创伤”的治疗模式，迈入无创伤修复的新阶段[2]。所谓的组织工程的三要素或四要素，主要包括种子细胞、生物材料、细胞与生物材料的整合以及植入物与体内微环境的整合。所谓种子细胞是指通过培养、存活、增殖最后形成组织的原始细胞。目前在组织工程研究中人类自身的细胞仍然是种子细胞的主要来源。随着移植医学与替代医疗的发展，人体病损器官、器件和组织的替代物的临床需求量迅速增长[2]。

然而人体的组织结构往往不是单一的线状结构而是复杂的取向结构，以肌腱为例，肌腱为肌肉末端的结缔组织纤维索，肌肉藉此附着于骨骼或其它结构[3]。肌腱较肌肉坚韧而体积小，它的扩张强度为611～1265公斤/平方厘米。肌腱主要由平行的胶原纤维束构成，没有收缩能力，它的表面包有结缔组织膜，胶原纤维之间有少量结缔组织相连接。虽然构成肌腱的胶原纤维束彼此是平行的，但每个胶原纤维束都是互相交织的，所以肌纤维的拉力传布到整个肌腱而不是单根腱束。但由于肌腱的过度使用或年龄退变，肌腱将产生不同程度的急慢性损伤。而损伤的肌腱在修复后会出现粘连、强度降低等问题，所以对于受损肌腱的治疗显得格外重要。肌腱的传统治疗主要包括缝合、自体移植、同种异体移植、人工合成材料等[4,5]。以上这些方法虽然能取得一定的治疗效果，但是都存在很大的局限性。自体移植是选取自体身上其他部位的可用部分经行移植，这种方法虽然可行，但是会对自体产生一定的影响，并且供应源也很有限。异体移植则是从一个个体上移植组织到另一个个体上以修复同类组织的损伤，但是在移植过程中难免会发生免疫排斥现象，移植的成功率不高[1,2]。人工合成材料不会产生生物组织的生物学效果，大多数也会有排异现象。组织工程学的三要素为细胞，支架和生长因子，细胞是构建组织最基本的单位，支架是细胞生长所依附的基本结构，生长因子是促使细胞生长的重要因素。支架材料对于细胞的生长尤为重要，所以如何合理构建支架便成为组织工程的关键。支架材料一般有五种，分别为天然可降解高分子材料、天然可降解无机材料、合成可降解高分子材料、合成可降解无机材料、复合材料。单一的支架材料虽然具有良好的生物学作用，但是缺乏相应的力学支撑作用[2]。

随着纳米技术的发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，将在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用[4]。在生物医学领域，纳米纤维的直径小于细胞，可以模拟天然的细胞外基质的结构和生物功能；人的大多数组织、器官在形式和结构上与纳米纤维类似，这为纳米纤维用于组织和器官的修复提供了可能；一些电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作为载体进入人体，并容易被吸收；加之静电纺纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性，因此，其在生物医学领域引起了研究者的持续关注，并已在药物控释、创伤修复、生物组织工程等方面得到了很好的应用[5]。随着医学，生物学，材料学的发展，近年来基于静电纺丝技术发展细胞外基质的组织工程学材料支架逐渐成为研究的热点，静电纺丝（电纺）技术是一种制备直径为数十纳米到数微米的纳米纤维的有效方法。由于生物高分子具有良好的生物相容性，近年来国内外对生物高分子的电纺制备进行了大量研究[6-8]。这种生物高分子纳米纤维在组织工程支架、组织修复等方面有独特的优势，同时，静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。传统的电纺过程都是以无纺布的形式在收集板上沉积的，这对于要构建高度取向的纤维组织来说是远远不够的[9-11]。近年来，静电纺丝技术在细胞粘附、增殖、分化等方面都有很大的优势，采用该技术制备的纳米纤维由于其在三维结构上具有较大的比表面积和较高的孔隙率，可以消除纺丝射流固有的不稳定鞭动，而引起了人们的广泛关注[12-14]。综合前人的研究我们将PCL和胶原按不同的比例混合进行纺丝，并且探讨纺丝液浓度对由胶原构建的纤维的力学支撑性的影响，研究其溶胀，力学等物理特性以及对细胞生长的影响[15]。

2. 本课题研究的意义和价值

采用稳定射流电纺丝的技术，通过静电纺将纺丝液纺成稳定单根纤维，制备出胶原/PCL纳米纤维膜，了解它们的形貌特征，并进一步了解其取向结构表征，通过一系列力学性能测试，最终来完成对其生物相容性的评价，研究该新型仿生支架材料的综合性能，从而探索其在肌腱组织修复中的应用潜力。

3. 参考文献

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