仿生丝蛋白海绵支架的结构设计及其促进真皮组织功能性修复的作用机制研究

Structure and function of dermal tissue are key factors determining wound healing and scar formation. Extracellular matrix of dermal tissue directly impacts cell functions, such as adhesion, proliferation and differentiation, exerting key function in modulating wound healing and promoting the healing quality. Structure and property flexibility of silk fibroin based materials renders them ideal materials of constructing functional dermal substitutes. Previous research results of the appliant suggested that silk fibroin sponge can promote vascularization of the scaffold by inducing migration and proliferation of endothelial cells, modulating wound healing. Based on this, this project aims to further conduct structure design of the silk fibroin sponge, thus to elucidate relationships between material properties and cell behaviors, such as endothelial cell differentiation of stem cells, myofibroblast differentiation of fibroblasts, and cell migration, etc. The study will construct optimized silk fibroin sponge scaffold that can inhibit the myofibroblast differentiation of fibroblasts at the same time of promoting vascularization. Based on optimized silk fibroin sponge as matrice, prevascularization of the scaffolds can be realized, thus to investigate the effect of vascularization extent on migration and differentiation of fibroblasts and interactional mechanism of different wound healing processes, in order to clarify the key parameters of improving quality of wound healing and inhibiting scar formation. Finally, regenerated dermal tissue, similar to normal skin structure, will be acheived using animal model. This can provide novel guidance for the functional repair of dermal tissues.

真皮组织的结构和功能是决定伤口愈合和瘢痕形成的关键因素。真皮组织细胞外基质直接影响细胞的黏附、增殖和分化等功能，发挥调控愈合和改善愈合质量的关键作用。丝蛋白材料结构和性能的可控性使其成为构建功能性真皮替代物的理想材料。申请人的前期研究结果发现仿生丝蛋白海绵可以通过诱导血管内皮细胞迁移和增殖，促进支架血管化，调控伤口愈合。在此基础上，本项目拟完善丝蛋白海绵的结构设计，研究其与干细胞向内皮细胞分化、成纤维细胞向肌成纤维细胞分化、以及细胞迁移等行为的关联性，构建具备提升干细胞定向分化和促进细胞迁移能力，并可有效抑制成纤维细胞向肌成纤维细胞分化的优化丝蛋白海绵支架。以优化的丝蛋白海绵为基质材料，实现材料预血管化，进而研究血管化程度对成纤维细胞迁移和分化行为的影响，探讨愈合过程不同阶段的相互影响机制。最终利用动物模型，获得同正常皮肤结构相似的再生真皮组织，为真皮组织功能性修复提供指导。

烧创伤创面愈合缓慢和瘢痕形成是亟待解决的临床难题。现有的创面修复材料缺乏主动诱导创面愈合的功能，无法满足临床的治疗需求。理想的创面修复材料应具有调控创面愈合的功能，促进创面血管化、真皮重建和有序愈合。.为了达到上述目的，本项目以丝蛋白为基质，构建了系列真皮组织仿生支架材料，并建立了材料的可控制备和调节材料性能的方法，实现了对材料微结构、力学性能、降解性能的调控。研究了丝蛋白支架仿生性能对细胞愈合相关行为的调控作用，并通过体外和体内模型，对材料对血管新生、内皮细胞分化、成纤维细胞分化的调控作用进行了验证和功能评价。.主要结果和关键数据包括：（1）纳米纤维的仿生微结构增强了丝蛋白多孔支架的生物相容性，促进成纤维细胞黏附、迁移以及形成细胞聚集态，并且，促进了内皮细胞的分化进而增强血管新生。(2)压缩模量5-10 kPa的仿生丝蛋白支架在具有稳定性的同时，显著促进支架内部血管新生，增强大鼠全层皮肤缺损创面的血管化。(3)构建了具有取向结构的丝蛋白仿生支架，显著加速大鼠全层皮肤缺损创面愈合，增强创面血管化程度，并显示促进皮肤再生的功能。.项目的研究结果表明，通过材料的仿生构建，而无需生长因子等生物分子，能够实现对细胞行为的调控，增强创面的真皮重建和血管化，促进创面愈合。另外，仿生丝蛋白材料促进创面有序愈合的机制也有效地抑制了瘢痕形成。因此，项目的结果和结论对于新型创面修复生物材料的设计和构建具有重要的理论价值。项目也获得了系列新型的丝蛋白基生物材料，有望应用于烧创伤创面、糖尿病足等慢性创面以及其他软组织缺损的临床修复。