3 d实际上电纺Nanofiber-Based支架:从准备和组织再生的应用程序属性

文摘

静电纺丝是经常用于组织工程由于其形态相似性与细胞外基质(ECM)和可调的化学和物理性质调控细胞行为和功能。然而,大多数现有的静电纺丝有密集的二维(2 d)膜的固有缺点有限细胞渗透,营养扩散限制,和不满意厚度。三维(3 d)实际上电纺nanofiber-based支架可以用3 d提供干细胞微环境和仿生纤维结构。因此,他们已经被证明是很好的候选人在活的有机体内不同的组织修复。本文总结了最近的事态发展在3 d实际上电纺nanofiber-based为组织工程支架(ENF-S)。三种类型的3 d ENF-S组合使用不同的方法分为实际上电纺纳米纤维三维支架,实际上电纺纳米纤维/水凝胶复合三维支架,和实际上电纺纳米纤维/多孔基复合材料三维支架进行了讨论。新功能对这些3 d ENF-S和属性,如促进细胞浸润,3 d纤维结构,提高力学性能,可调降解性,满足组织工程支架的需求被发现。的应用3 d ENF-S软骨,骨骼,肌腱,韧带,骨骼肌肉,神经,然后和心脏组织再生提供一个讨论当前的挑战和未来的发展方向。最后,我们给出总结和未来的角度的3 d ENF-S组织工程和临床转化。

1。介绍

结合细胞的组织工程、生物材料和生物化学和生物物理因素改进或替换生物组织为组织提供了一个理想的治疗选择赔偿(1,2]。它包括隔离和靶细胞的扩张在体外及其在生物材料植入播种和增长允许新组织的形成与定义的形状和功能(3]。通过利用这些自细胞,组织工程有缺损的优点,克服了许多组织的自我修复能力有限(4]。到目前为止,这种治疗方法已经证明成功的修复皮肤、软骨、骨、膀胱、和血管等(5- - - - - -9]。

在组织工程生物材料发挥重要作用,因为他们可以提供可被识别的生物物理和生物化学环境支持细胞附着,增殖,分化,neo组织《创世纪》(10- - - - - -12]。与细胞之间的相互作用认识的提高和周围的微环境,越来越多的注意力集中在开发生物材料,模仿ECM的本机组件、属性和结构(13- - - - - -15]。一个最佳的组织再生的支架应该模仿ECM的机械和功能性质的组织再生。到目前为止,大量的生物材料,包括水凝胶、多孔支架,和纤维,广泛组织工程中开发和探索。

其中,纤维支架最近吸引了很多关注,因为本地ECM包含丰富的蛋白纤维具有不同的结构和安排1,16]。静电纺丝直径可控、比对和组件,和大表面积通常用来满足组织工程的要求(17- - - - - -21]。然而,这些传统的2 d实际上电纺膜有一个相对贫穷的内在限制细胞渗透由于其有限的厚度和密度相对较高的包装(22,23]。因此,这些支架,在实践中,作为2 d表面而不是3 d微环境。尽管多孔支架和水凝胶可以提供一个适合植入细胞的三维微环境,表现出广泛应用在再生医学(24- - - - - -26),他们往往缺乏纤维结构和原生组织ECM的各向异性特征(27,28]。因此,研究人员正试图开发3 d实际上电纺纳米纤维支架更好地概括ECM的体系结构和形态(29日]。

有一些评论文章对电纺和nanofiber-hydrogel复合支架(30.- - - - - -32]。所需的制造策略,然而,一个全面总结功能,在组织工程和先进的表演是失踪。本文回顾总结了最近的3 d ENF-S设计方法及其在组织工程中的应用。首先,简要介绍了传统的静电纺丝和其局限性。随后,白衬衫的最新进展提出了三种类型的3 d ENF-S。的应用与改进的3 d ENF-S特性和功能在不同类型的组织工程突出显示(图1)。最后,我们给出一个简短的结论和讨论的角度对当前的挑战和未来的发展方向3 d ENF-S组织工程。

2。制备ENF-S从2 d到3 d

2.1。传统的电纺的及其局限性

静电纺丝常常捏造使用电纺的设备包括三个要素:发电机(高电压供应),一根针有或没有溶剂泵(喷射源),和一个金属收集器(目标)33]。当电压在喷嘴和静电排斥抵消表面张力,液滴将会被拉伸。在临界电压点(阈值电压),一个“泰勒锥”(水滴在电场的解体)形成,并从表面的液体喷射爆发。喷气流创建的“泰勒锥”延伸至鞭子到连续超细纤维在电场在溶剂蒸发。通过调节外加电压等实验参数,指定的喷嘴和收藏家之间的距离,和解决方案的属性,纤维直径均匀,可以经常产生,和一个实际上电纺膜包装密度是逐渐的。纳米纤维的直径和方向可以控制通过调整溶液粘度或收藏家的类型,从而导致一个明显影响细胞行为和功能(34,35]。然而,实际上电纺膜由传统战略具有非常薄的厚度(< 1毫米)(36)和高致密堆积归因于电纺的本质,阻碍细胞渗透,在组织再生和范围广泛的应用程序。

2.2。3 d实际上电纺制备Nanofiber-Based支架(ENF-S)

3 d支架所需的大多数3 d环境将促进组织再生,因为他们的仿生细胞分化,neo组织发展,和更高的遗传物质表达,如ECM分泌和细胞代谢。因此,3 d ENF-S厚厚的厚度和渗透能力的细胞是组织工程所需的高度。在本节中,3 d ENF-S分为(i)实际上电纺纳米纤维三维支架,(ii)实际上电纺纳米纤维/水凝胶复合三维支架,和(3)实际上电纺纳米纤维/多孔基复合材料三维支架根据不同的加工方法(图2)。

2.2.1。实际上电纺纳米纤维三维支架

实际上电纺纳米纤维三维支架具有高孔隙度和厚度可以通过后处理来捏造直接电纺技术,优化纤维集合技术,或两者结合。实际上电纺膜可以改变与理想的三维支架结构,定制的尺寸,和机械性能的简单和直接叠加等后处理技术,编织实际上电纺膜(37]。此外,气体发泡也成功地用于扩大2 d实际上电纺纳米纤维三维支架上。例如,实际上电纺纳米纤维垫被成功成长为一个3 d支架与NaBH治疗后₄水解决方案(38]。差距的分布宽度和厚度层直接依赖于纳米纤维垫处理时间内气泡形成的解决方案。同样,一种多孔的聚ε己内酯(PCL)实际上电纺结构制造通过添加化学发泡剂偶氮二甲酰胺,通过分解后生成微米孔废黜在100°C 2 - 3秒39]。montmorillonite-reinforced保利(L-lactide)(丙交脂)静电纺丝与3 d和双孔隙度结构制造通过冷压缩成型过程和盐浸出/发气方法(40]。洞等后处理方法,形成由冲压或激光消融,可以增强实际上电纺垫的孔隙度,促进组织再生性能通过改善细胞渗透和迁移41,42]。

实际上电纺纳米纤维三维支架与显著增加厚度也可以由微调光纤收集技术,如调节电纺的收集器或环境在电纺。根据一项由萨勃拉曼尼亚et al ., 3 d管状支架被添加一个绝缘制造差距作为辅助电极,导致纤维的纵向沉积(43]。同样,球形碟和双面斜坡收藏家也用于制造三维纤维支架(44,45]。图案的收藏家可以增加实际上电纺纳米纤维支架的厚度和孔隙大小来改善细胞浸润(46- - - - - -50]。除了几何的收集器,墨西哥等人发现3 d实际上电纺纳米纤维支架可以捏造容易通过改变心轴的转速收集器在电纺的(51]。此外,低温电纺的也被用来制造3 d实际上电纺纳米纤维支架具有高孔隙度和厚度利用冰晶体为模板(52- - - - - -54]。例如,聚(D, L-lactide)支架大孔从10到500μm是低温电纺的技术[捏造出来的55]。离心电纺,除此之外,利用离心力生产纤维从融化或解决方案,也被报道产生三维纤维支架。这个技术是高吞吐量,支架由这种技术开放的多孔结构促进深层细胞渗透(56,57]。

调优的收藏家和后处理技术结合起来进一步增加实际上电纺纳米纤维支架的厚度和孔隙度。例如,三维多孔电纺的PCL nanohydroxyapatite (nHA)支架准备使用不锈钢多孔网状收集器和分层技术(LbL)组装技术58]。另一个流行的策略是electrospinning-based纱组装技术,形成纱线通过调节收集系统和进一步的后处理三维装配59- - - - - -61年]。例如,纱线通过液体支持系统可以产生3 d支架具有不同的形状62年]。同样,纱线可以通过收集“electro-wet旋转,”水漩涡形成扭曲收集到的纤维在纱线动态液体收集系统(63年,64年]。结合这个hydroelectrospinning LbL组装可以产生3 d支架(65年]。此外,yarn-based 3 d支架可以通过后处理准备治疗(66年]。此外,纱线可以用来编织三维各向异性支架,这表现出优秀的各向异性力学性能为特定组织再生(67年]。

2.2.2。实际上电纺纳米纤维/水凝胶复合三维支架

水凝胶已经利用各种生物医学领域的应用,包括药物装载时,细胞传递,组织工程,因为他们的三维空间结构和弹性68年- - - - - -70年]。然而,水凝胶机械强度差、缺乏本土ECM的纤维结构31日]。实际上电纺纤维和水凝胶的融合可以模拟ECM的结构和性质(71年]。纳米纤维组件可以增加细胞生存能力、附着力和分化,因为纳米纤维能抵抗收缩力,提供粘附面向网站和维护的形态(72年]。机械性能和细胞的渗透能力的复合结构相比显著增强个人同行(73年]。静电纺丝将水凝胶的设计方法将这部分进行了总结。同时,他们的角色和协同各组织再生功能也将强调。

实际上电纺纳米纤维/水凝胶复合三维支架可以通过嵌入的静电纺丝postassembled捏造水凝胶前体溶液或组装后结合实际上电纺nanofibrous膜和水凝胶。例如,实际上电纺聚乳酸纳米纤维床单被涂上一层聚(氧化lactide-co-ethylene延胡索酸酯)(PLEOF)水凝胶。他们组合成复合支架通过LbL装配和交联。在这种方法中,前体溶液作为持有纤维层“粘”在一起(74年]。形成叠层或纳米纤维滚/水凝胶复合支架具有机械强度明显高于纯水凝胶(74年,75年]。除此之外,据报道嵌入纳米纤维提高水凝胶的机械和生物学性质,如行动能力萎缩和退化在组织再生,并提供附件信号和方向线索细胞(72年]。此外,纳米纤维之间的相互作用和水凝胶会影响最终产品的性能(76年]。

短通过削减或有辱人格的静电纺丝纳米纤维可以悬浮在水凝胶前体的解决方案之前,凝胶(77年,78年]。这种集成过程保留的注入能力结构。例如,明胶/ PCL实际上电纺短纤维与明胶溶液混合,然后用戊二醛交联复合支架做准备。这些复合支架显示更健壮的力学性能比纯水凝胶纳米纤维之间的强界面结合和水凝胶(79年,80年]。短实际上电纺纳米纤维/水凝胶混合物也可以加工成bioinks适合3 d生物打印制造结构复杂的结构和力学性能改善(81年]。

2.2.3。实际上电纺纳米纤维/多孔基复合材料三维支架

支架与相互联系的多孔结构对组织工程的吸引力,因为多孔结构为细胞迁移提供空间,增殖,营养/废弃物运输和neo组织再生(12,25]。据报道,纤维结构多孔支架可能会进一步促进细胞粘附和迁移与本机ECM(由于其相似之处82年]。因此,许多最近的研究介绍了纳米纤维多孔支架。等方法,冷冻干燥、喷雾、3 d印刷、多孔支架制作,可以集成电纺的nanofiber-based 3 d支架。因此,结合电纺的与其他三维多孔结构形成技术也是一个有效的方法来制作3 d ENF-S。

3 d ENF-S多孔结构可以很容易地由冷冻干燥。例如,再生纤维素(RC)和解放军nanofibrous复合支架被冷冻干燥的,其次是与柠檬酸交联。这些RC / PLA复合支架具有双重孔隙结构表现出高吸水性树脂,稳定性好,和机械性能83年]。同样,双层collagen-nanofiber复合多孔支架是由压缩和冷冻干燥。没有明显差距多孔纳米纤维层,显示良好的集成(84年]。聚环氧乙烷(PEO)微粒子和聚乳酸纳米纤维由电喷射电纺的,分别是沉积在收集器同时形成纳米纤维/微粒复合支架。厚度可显著提高引入微粒后,可释放电荷和构建构造在电纺的(85年,86年]。

3 d打印技术是一种常用的方法来制备多孔支架,特别是对支架与复杂的结构。结合3 d打印技术,结构的维数和静电纺丝的规模将从微观到宏观孔隙增加类似ECM的地形特征87年]。玉等人伪造的复合三维支架通过印刷PCL网格支架与宏观尺度孔底部,并注入PCL /明胶纳米纤维短到印刷支架(88年]。据报道,3 d打印的PCL网格表面光滑,而电纺的PCL纳米纤维连接通过粘合改善了软骨细胞生存能力,附着力和渗透89年]。短的纳米纤维也被用于多孔和纤维支架制造。例如,半流质的HA / PEO的混合物溶液和凝胶/聚(lactide-co-glycolide) (PLGA)实际上电纺短纳米纤维作为一种新型油墨挤压制造3 d打印的光纤支架。通过调优参数(内部直径的喷嘴,绘图头的移动速度,和加药速度)和调整线的距离和直径,复合支架具有不同形状和孔隙大小可以实现(90年]。

此外,聚合物熔体直接沉积也结合电纺的制作3 d支架与纤维结构。公园等人把实际上电纺聚已酸内酯/聚已酸内酯之间的胶原蛋白纳米纤维超细纤维层由聚合物熔体直接沉积形成3 d ECM-like组织工程支架。这个纳米/超细纤维复合三维支架软骨细胞粘附和增殖提供最佳的环境由于生物相容性的改善和内表面的扩大91年]。其他方法,如选择激光烧结(92年和有限元93年),也用于制造组织工程支架和三维多孔纤维结构,可加速细胞浸润和组织再生(94年]。

3所示。先进的3 d ENF-S功能性质

3 d ENF-S cell-permeable结构和可控厚度比2 d实际实际上电纺膜在大多数组织再生。随着组织工程的一个关键因素,组织工程支架应该代替天然ECM而模仿它的结构和力学性能。与其他类型的支架相比,多孔或水凝胶支架等,这些3 d ENF-S也表现出许多其他高级功能属性,如三维纤维结构和可调机械性能,使其最近的研究的焦点。

3.1。三维纤维结构

人们普遍认为建立仿生领域密切类似原生生物环境是至关重要的引导细胞生长和分化,促进组织再生。尽管已经有许多研究涉及bioinspired ECM设计,相关研究仍发展迅速(95年]。3 d ENF-S广泛关注由于其nanofibrous结构,它可以像本地ECM的纤维特性的各种组织(96年]。这种纤维结构已被证实能发挥至关重要的作用在调节细胞如何与本机ECM交互,影响细胞粘附,蔓延,增殖,分化。因此,3 d ENF-S与这些仿生纤维结构已经开发了各种各样的组织再生。

3.2。机械性能

支架的力学性能是至关重要的成功表现在组织再生。考虑到在活的有机体内植入和临床应用,机械强度和缝合保留组织工程支架的强度是至关重要的。在不同类型的支架,3 d ENF-S优秀和临床移植可调机械性能有很大的潜力。

3.2.1之上。机械强度

脚手架必须足够强大来匹配本地组织的力学性能在植入网站支持细胞粘附,细胞扩散,ECM的合成。此外,当应用在活的有机体内,脚手架必须承受外力作用于它保持它的完整性和支持它的功能没有崩溃。最近,许多研究报道,3 d实际上电纺nanofiber-based支架与突出的力学性能已经成功地应用在组织工程中,特别是在力加载组织,如软骨、肌腱和韧带97年,98年]。Biomimicing原生的胶原蛋白纳米纤维组织,静电纺丝对齐都表现出非凡的机械强度,提高组织工程支架的机械性能(60]。静电纺丝复合支架,可以提高机械强度通过应变之间的转移矩阵和纳米纤维加固。

3.2.2。缝合保留力量

缝合是一种常见的方法来修复植入物周围组织(99年]。支架的缝合能力有限可能阻碍原位植入然后阻碍在活的有机体内实验和临床移植,特别是对于需要高和动态加载的组织或器官,如血管、肌腱和韧带One hundred.]。然而,很少有研究工程支架测量缝合保留实力,尽管其建立临床实施的重要性。3 d ENF-S礼物缝合能力和足够的缝合保留实力在活的有机体内植入。例如,Vaquette等人编织实际上电纺PCL与细胞播种网开发组织工程韧带构造可以缝合与周围组织(101年]。

3.3。结构和机械各向异性

各向异性,这指的是定向依赖的物理属性,是一些组织的基本属性之一,如软骨、肌肉、肌腱和韧带27,102年,103年]。各向异性使ECM能够最大化它的功能以及使用的方向。例如,这些独特的结构可以实施有效的力量传输和收缩功能的再生肌肉纤维(104年- - - - - -106年]。各向异性与结构和机械支架各向异性是高度需要模拟靶组织属性和提供一个特定的微环境细胞分化。许多3 d ENF-S使用所需的各向异性性质已经准备通过控制静电纺丝的调整和安排107年,108年]。

3.4。降解性

组织工程支架的要求之一是生物降解。降解本身就是一个控制细胞行为和分化调节因子(2]。生物材料可以通过酯水解进行降解,酶法水解、光解的聚合物链的乳沟在体外和在活的有机体内。基于这些机制,支架具有良好的生物降解性和理想的降解率可以作为临时设计支持,逐步退化,取而代之的是再生组织。一般来说,天然聚合物,如明胶和胶原蛋白有很好的生物相容性,但快速降解率。大多数合成聚合物静电纺丝导致机械稳定。实际上电纺纳米纤维复合支架的降解率可为组织工程设计应用程序(52,74年]。

基于上述功能性质,发现3 d ENF-S显示大量的优点在建筑和机械性能与其他类型的支架相比,从而为临床应用缩短距离。然而,大多数研究植入前执行机械测试。在一个动态的微环境在活的有机体内,支架将表现出明显不同的性能,如快速退化。因此,力学性能的变化3 d ENF-S下在活的有机体内环境尤其值得关注,尤其是重型组织,如肌肉,肌腱和韧带。

4所示。组织再生的应用程序

4.1。软骨和骨

骨关节炎通常被称为软骨缺损是一种疾病引起的创伤性损伤或退行性关节疾病。与人口老龄化日益严重的肥胖问题,骨关节炎的病例数量预计将在未来109年]。流行的治疗关节软骨修复包括微裂缝、自体软骨细胞移植和骨软骨同种异体移植(110年]。尽管这些技术已经成功地缓解疼痛和改善关节功能,他们的缺点限制了其长期临床应用111年]。软骨组织工程作为一个有前途的战略已经吸引了相当大的努力在过去的几十年里112年]。最近,静电纺丝用于软骨组织工程由于其nanofibrous网络结构(113年,114年]。陈等人准备明胶/ PLA nanofiber-based三维多孔支架通过使用纳米纤维膜悬浮溶液通过冷冻干燥和加热过程制造3 d nanofibrous脚手架和克服的局限性一般生产实际上电纺纳米纤维膜2 d。这种类型的脚手架可以交联透明质酸使用1-ethyl-3——(3-dimethyl aminopropyl)碳化二亚胺(EDC) / N-hydroxysuccinimide (NHS)进一步促进软骨再生功能(115年]。复合支架促进软骨再生,表明积极的胶原蛋白II型和aggrecan移植后免疫组织化学染色结果在活的有机体内12周(数字3(一个)- - - - - -3 (c))。实际上电纺纳米纤维/多孔基质支架也表现出良好的性能在软骨组织再生(116年,117年]。例如,collagen-poly(乙烯醇)纳米纤维表面实际上电纺冻干多孔胶原蛋白海绵制造复合支架,设计复制关节软骨的表面和过渡区118年]。

ECM由纤维软骨胶原蛋白II和proteoglycan-based基质。因此,人们认为纤维/水凝胶复合三维支架可以模仿天然软骨ECM的结构和功能(119年]。例如,冷却芯棒收集器在-78°C被用来准备实际上电纺PCL纳米纤维软骨的模拟纤维组成部分。冰结晶过程,沉积PCL纤维表现出松散的纤维结构和厚度增加。升华后,大孔隙创建允许细胞浸润。O₂等离子治疗被用于制造纤维亲水表面,确保良好的接触cell-laden海藻酸水凝胶。的cryoelectrospun PCL纤维支架与海藻酸(1.5毫米)厚的厚度可以提高水凝胶的力学性能和稳定性。经过三个星期的在体外文化和三个星期在活的有机体内植入,这种水凝胶/纤维复合支架仍然存在,显示许多chondrogenic ECM沉积而纯净的水凝胶支架降解(数字3 (d)和3 (e))[52]。

生物活性水凝胶的力学性能不足是一个严重的挑战在软骨组织工程97年]。纳米纤维/水凝胶复合支架力学性能有改善软骨细胞首选3 d微环境已经成为一种很有前途的候选人(98年,120年]。·沙里夫等人伪造一个复合支架使用分散实际上电纺聚乳酸纤维和alginate-graft-hyaluronate水凝胶。这种复合支架的抗压模量增加了81%,没有混合水凝胶纳米纤维。在这个培养的软骨细胞复合支架显示圆细胞形状和产生一个cartilage-specific矩阵(121年]。的力学性能和3 d打印的海藻酸水凝胶的稳定性是提高加固后解放军submicrofibers [81年]。

纤维和水凝胶基质之间的相互作用是至关重要的在实际上电纺纳米纤维/水凝胶复合支架软骨形成。例如,丝纤维(SF)增强软骨形成嵌在丝绸水凝胶而不是标准的琼脂糖凝胶。新合成的蛋白多糖被发现在丝绸超细纤维SF-silk水凝胶。相比之下,可怜的应力转移和ECM沉积发生在SF-agarose水凝胶没有纤维/水凝胶绑定(122年]。纳米纤维组件还可以加速增殖和分泌chondrogenic ECM的优化结构的结构形态和化学成分(123年]。

骨组织工程也需要一个支架具有极高的机械强度。静电纺丝的结合是一种实用的方法来提高机械强度和提供了一个选项使用水凝胶作为骨组织工程的支架。Shojai和同事准备了trilayered脚手架,包括polyhydroxybutyrate (PHB),羟磷灰石(HA)和明胶甲基丙烯酰氯(GelMA)水凝胶用于骨组织工程(数字4(一)和4 (b))。在他们的工作,实际上电纺的PHB垫被穿孔和GelMA前体溶液中浸泡暂停HA纳米粒子为20分钟,当时夹在GelMA与HA纳米颗粒层。三维纳米纤维/水凝胶复合支架是由紫外线交联。相比之下,实际上电纺纤维或水凝胶,这trilayered脚手架表现出所需的机械强度和优良的微环境。基质矿化和碱性磷酸酶(ALP)活性提高在这混合支架由于HA纳米粒子(图的存在4 (c))[124年]。纹理PLA纤维/ PLEOF水凝胶复合支架被LbL装配和制造进一步交联水凝胶的组件。纤维网状给这个复合支架的机械强度强,和水凝胶组件连接这些不同层加速氧气和营养物质的扩散。

此外,与水凝胶降解,将会有更多的空间为细胞增殖和基质沉积。之后结合HA纳米晶体和Arg-Gly-Asp (RGD)肽在水凝胶阶段,层压复合支架促进成骨分化,这证实了检测高高山活动和表达成骨的标记(骨桥蛋白和骨钙素)(74年]。同样,Naghieh等人产生分层支架堆满了解放军超细纤维层由熔融沉积建模和纳米复合材料gelatin-forsterite捏造通过电纺纤维层。这种复合支架的弹性模量增加了逾1.5倍与PLA支架相比没有实际上电纺纤维的结合。后浸泡在模拟体液(SBF)解决方案28天,HA晶体被发现的struts复合支架,表明生物活性骨组织再生(候选人125年]。

3 d ENF-S也承诺为骨软骨组织再生。自然骨软骨,软骨骨的成分和结构不同,在复杂的环境中不能满足齐次脚手架。此前,胶原蛋白多孔支架和静电纺丝已经被证明能促进软骨和骨再生,分别为(11,25]。因此,双层胶原蛋白/丙交脂纳米纤维复合支架是骨软骨组织修复(数据开发的5(一个)和5 (b))。顶层是一个冻干胶原蛋白多孔支架,和底部层由纳米纤维与100 - 300条μ米孔(图5 (c))[84年]。间充质干细胞(msc)体外培养这个胶原/纳米纤维复合支架显示更强的成骨分化,由骨钙素的表达越高证明(OCN)和runt-related转录因子2 (runx2)成骨的基因。兔骨软骨缺损模型,快速的软骨下骨出现更好的软骨形成观察胶原/纳米纤维复合支架。此外,软骨下骨bridge-like结构也观察到使用μ- ct,这将有助于软骨再生(图5 (d))[84年]。

4.2。肌腱和韧带

肌腱和韧带艰难结缔组织连接骨骼肌肉和骨骼骨,分别。他们有很强的抗拉强度由于致密纤维组织。因此,光纤复合支架有备受关注的肌腱和韧带组织再生(126年]。例如,对齐实际上电纺纳米/超细纤维支架是由模仿本机肌腱和韧带的胶原原纤维排列(127年,128年]。编织或堆叠实际上电纺丙交脂和PCL纤维准备满足临床需求的拉力和缝合强度(37]。这是表明编织支架与大量的机械性能可以推动tenogenic标记的表达。堆叠支架有更好的细胞比编织的渗透,导致更高的总细胞数和ECM的内容。同样,Vaquette等人编织实际上电纺与cell-laden PCL网开发组织工程韧带结构(101年]。PCL网/细胞板复合构造应力/位移曲线,类似于本机韧带。在活的有机体内实验表明,合并后ECM支架内是分布式组织细胞板。

静电纺丝和水凝胶复合支架也选择实现cell-laden和优良的机械性能。PCL-polyamide实际上电纺膜具有优良的力学性能对肌腱替代但缺乏生物相容性和三维结构。因此,GelMA /海藻酸凝胶薄层涂在静电纺丝,提供一个ECM-like封装msc的微环境。机械刺激下产生的一个定制的生物反应器,细胞生存、增殖,对齐,tenogenic分化msc的提升(图6(一))[129年]。金等人还提出了一个纤维/水凝胶复合为肌腱组织工程支架。对齐纤维混合产生的电纺的PCL和蚕丝蛋白拓扑提供线索细胞定位和差异化。海藻酸与msc拉登注入水凝胶纤维支架后滚针改善周围的纤维层细胞渗透,并提供一个3 d微环境。与碱性纤维母细胞生长因子(bFGF)补充剂,msc展出韧带表型,通过ECM相关蛋白质的分泌和沉积的复合支架(数字6 (b)- - - - - -6 (d))[130年]。

肌腱由胶原纤维排列和周围的粘多糖鞘,主要dermatan硫酸盐和硫酸软骨素。因此,纳米纤维/水凝胶复合支架也被用于肌腱再生。例如,对齐丙交脂生产的电纺纳米纤维。壳聚糖/胶原蛋白水凝胶纳米纤维是分层的,卷成管状,然后涂以海藻酸水凝胶复合构造做准备。正如所料,这种复合支架的机械强度明显增强,这是足够的屈肌肌腱。对齐的纳米纤维可以指导细胞依附和增长。水凝胶阶段提升细胞渗透,海藻酸成分阻止peritendinous附着力。优良的机械性能和生物相容性证明,实际上电纺nanofiber-based复合支架适合使用肌腱再生(75年]。bFGF生长因子和动态刺激进一步应用于编织PCL /肌腱再生胶原纤维支架。这种复合支架与机械和生化刺激显示增强扩散,tenogenic标记表达式,12周后胶原形态保持一致在活的有机体内植入,进一步证明的有前途的应用实际上电纺nanofiber-based 3 d复合支架在肌腱组织重建131年]。

4.3。骨骼肌

骨骼肌,包括40至45%的成年人体质量,主要是负责生成力和控制身体的运动(103年]。然而,肌肉组织很容易受伤。不幸的是,严重的伤害后,内生的再生本身是无能为力的132年]。据报道,骨骼肌组织工程、设计结构以满足组织再生肌肉功能和审美需求的缺陷,具有良好的前景(104年]。细胞排列和细长的肌管骨骼肌肌肉组织工程是至关重要的,因为由肌纤维排列和结缔组织(103年]。此外,支架用于支持骨骼肌再生应适应和促进形成密集、高度一致的肌纤维,施加有效力量传输和收缩功能的肌肉纤维的复兴(105年]。

最近的研究表明,各向异性材料可能优先发展肌肉组织工程结构的形态和功能更类似于本地组织(106年,134年]。3 d支架具有各向异性特性需要植入细胞提供三维微环境(134年]。水凝胶结合静电纺丝提供了一个很好的解决这个问题。例如,纤维与纤维3 d包结构用一种electrohydrodynamic喷气技术制作的湿电纺紧随其后。单轴拉伸后,纤维变得一致方向从一个随机结构。胶原蛋白细胞封装/ PEO bioink印在这个3 d包。纤维为cell-laden水凝胶提供了典型地形刺激,和collagen-coated表面表现出生化信号。他们synergically提升肌管形成和成肌细胞分化[135年]。纳米纤维纱和水凝胶组装准备具有核壳结构的复合支架(图7(一))[133年]。纤维纱芯组成的PCL,聚苯胺,并通过干湿丝素蛋白是捏造的电纺的,函数的诱导3 d细胞排列和伸长。photocrosslinked水凝胶作为挂钩壳嵌入梗塞部位纱线。这种水凝胶壳显示,保护细胞增殖和细胞的3 d环境的安排。此外,水凝胶类似僵硬的肌肉组织可以防止纱线的随机绕组和缠绕在操作,从而减少细胞分离的可能性。最后,C2C12成肌细胞培养在这个纱/水凝胶核壳支架在体外显示增强细胞排列和肌原性的分化,进一步证明了纳米纤维/水凝胶复合支架的优点和前景在骨骼肌再生的应用(数字7 (b)和7 (c))。

4.4。神经

神经损伤引起的疾病、外伤或肿瘤操作会导致运动障碍和极端痛苦的损失。自发再生产生不满意的恢复结果,可用性自体神经移植供体神经的限制。因此,不同种类的神经组织工程支架已成为有前途的神经修复(136年]。其中,静电纺丝与各种机械和生化刺激经常使用。实际上电纺纤维的物理性质,如比对(137年)、刚度和地形(138年),生化特性,如RGD和生长因子(139年,140年),系统地研究。同时,导电聚合物(如聚苯胺(141年])和纳米粒子(如石墨烯(142年])伪造或添加到纳米纤维促进神经组织再生(143年,144年]。

3 d环境是至关重要的细胞活动,和相互作用,从而影响细胞分化和新组织再生145年- - - - - -147年]。据报道,排列纳米纤维可以提供物理线索引导神经分化的2 d表面。基于这一原则,结合纳米纤维/ 3 d合成水凝胶支架的设计,表现出实用的神经组织工程的功能。外部磁场可以控制对齐的短纤维悬浮在水凝胶之前完成矩阵的凝胶,赋予这个复合矩阵的各向异性性质。细胞封装对齐纤维/丝的方向构成的水凝胶结构拉伸纤维。实验证实,该神经元封装在这个矩阵与钙有自发电活动信号传播连同这些铁oxide-loaded PLGA短纤维的取向(数字8(一个)和8 (b))[80年]。同样,一个对齐纤维蛋白nanofibrous周围神经再生水凝胶是由电纺和自组装方法。这种纤维水凝胶/壳聚糖复合支架促进轴突的再生在活的有机体内(148年]。此外,由于刚度矩阵是细胞分化的另一个重要的生物力学信号,与柔软的弹性纤维和对齐纤维蛋白水凝胶支架由电纺的捏造。这种构造促进干细胞的神经源性分化和快速神经突的产物在活的有机体内脊髓损伤模型(数据8 (c)和8 (d))[149年]。

此外,据报道,水凝胶矩阵可以提供一个保护屏障保护移植的细胞免受有毒环境,在大多数移植细胞会逐渐死亡,导致轻微影响组织再生(150年]。仿生多通道丝绸管道是由一个电纺的技术准备紧随其后的是手动操作来创建perineurium-like结构,模仿本机神经的架构(151年]。包围水凝胶阻止细胞直接暴露在恶劣的环境,从而提出了低氧和营养水平,凋亡细胞因子,一些有毒活性氧。因此,实际上电纺nanofiber-based 3 d复合支架在力学性能表现出改进的可控性,细胞保护,和良好的性能在活的有机体内,显示神经组织工程的应用前景。

4.5。心脏组织

收缩和舒张的主要组织,心肌展品层次结构一致的细胞植入微型图象和各向异性ECM (27]。因此,静电纺丝已经广泛地探讨心肌组织再生,可模拟心肌各向异性结构,直接心肌细胞(CMs)的一致性,并提供一个合适的微环境细胞表型和neo组织再生152年]。静电纺丝与不同的机械心脏组织工程和生化特性可以组合使用不同的聚合物,与其他聚合物杂化,或纳米粒子,加载与生长因子或药物。

强烈的支架力学性能要求恢复心脏功能,如收缩。然而,许多研究表明,CMs喜欢与软刚度矩阵(153年,154年]。实际上电纺nanofiber-based 3 d复合支架承受的优化方法解决这一挑战。例如,多个对齐纤维layer-incorporated水凝胶支架通过wet-dry电纺和创建photocrosslinking技术,分别为(数字9(一个)和9 (b))[67年]。导电纳米纤维纱网(NFY-NET)与聚已酸内酯捏造,蚕丝蛋白,碳纳米管通过wet-dry电纺。水凝胶是由生物相容性GelMA水凝胶,有函数提供一个首选的3 d环境对于细胞分化,营养交换,厚度增加,(图和机械保护9 (c))。CMs NEYs-NET支架上培养了更健壮和同步跳动比培养的2 d玻璃表面。此外,支架的力学性能和结构的稳定性是提高与GelMA合并后水凝胶。CMs和内皮细胞(ECs)可以分别播种纱线表面和封装在GelMA coculture水凝胶,表明使用集成的潜在心血管瀑样(图9 (d))。

组织工程心脏瓣膜受伤或患病的核心价值是一种很有前途的方法修理。实际上电纺纤维网格的异构和各向异性属性是由纺织技术模仿心脏的本机功能价值的组织。之后结合cell-laden丙烯酸甲酯透明质酸/ GelMA水凝胶,这复合支架表现出更好的机械强度,增强扩散,和平衡的ECM重塑对退化和收缩与单一材料(155年]。纳米纤维复合支架也可以用于冠状动脉血管再生,由单独的胶原蛋白和弹性蛋白纤维(156年]。例如,一个实际上电纺网格与短切成一块矩形边缘平行取向的纤维和包装在一个乳胶管滚。这时,一个空心铁氟龙缸放置在包装管模具,并增加了凝血酶/ fibrinogen-cell悬挂到结构。交联后,消除了乳胶管,聚四氟乙烯圆柱,纤维/水凝胶复合了。这种复合支架的两相的力学性能是由于不同的力学性能与内部实际上电纺纤维和外部水凝胶,使其成为潜在的冠状动脉血管组织工程构建[157年]。

5。结论和未来的角度

3 d ENF-S代表了一类新颖的材料和显示了组织工程的巨大希望由于其固有的优点。这些支架与改善纤维结构和厚度优于2 d实际上电纺纳米纤维膜在细胞浸润和同质组织再生。此外,可调纤维结构和机械性能的3 d ENF-S对组织再生的吸引力。此外,能够提供3 d生物化学和生物物理刺激和细胞免受严酷的环境下也是出现在实际上电纺纳米纤维/水凝胶复合三维支架。因此,这些3 d ENF-S已经证明了有效性对软骨和骨骼,肌腱,韧带,骨骼肌肉,神经和心脏组织工程。

尽管令人鼓舞的进展,利用3 d ENF-S组织工程仍面临许多挑战。理想情况下,bioinspired组织工程支架应该高度有序的建筑因为自然组织或器官由多尺度分层结构。未来的研究专注于仿生层次结构可能会带来额外的功能细胞迁移,增殖,neo组织沉积。此外,有必要研究纤维之间的界面和多孔支架/水凝胶矩阵,这是相关构造的力学性能和影响细胞活动和功能。据报道,纤维之间的界面粘结和水凝胶具有促进血管生成的影响158年]。

最后,3 d ENF-S的长期安全性和性能在活的有机体内在临床移植是未来研究的方向。3 d ENF-S通常由两个或两个以上的材料,和合成聚合物通常实际上电纺的有机溶剂。因此,降解产物的毒性在活的有机体内应该彻底评估。预先设计的机械性能,层次和各向异性结构,降解资料测试在体外在动态环境中不能反映结果在活的有机体内。所有这些表现会改变支架降解和长在肉内植入体内后的新组织。因此,微环境的动态变化在活的有机体内设计时应考虑和准备的3 d ENF-S功能结构和属性。

数据可用性

数据和数据支持本文来自之前报道的研究和数据集,已被引用,并获得权限。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

姗姗汉和可馨聂了同样的工作。可馨聂是co-first作家。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(31900951)、国家自然科学基金会的联合基金中国(U1909219)、中国博士后科学基金会(2018 m642793),河南省的关键科学和技术项目(202102310212)和国家大学生创新训练项目和创业(202010459074)。

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