超细定向壳聚糖纤维的电流驱动法纺丝及其应用于肌腱组织工程的研究

采用静电纺丝技术制备能仿生肌腱组织中胶原的纳-微米超细纤维结构并实现纵行排列是当前组织工程支架材料研究的一个热点。但由于静电纺丝射流的不可控性，目前制备定向超细纤维的各种方法在纤维的定向程度、能收集到的纱束长度、力学性能等方面都与实际应用要求还有较大差距。本项目拟采用一种新颖的纺丝方法―电流驱动法来制备连续、定向、超细、高强的壳聚糖纤维用于肌腱组织工程。通过研究电流驱动法的纺丝机理、材料和工艺参数、纤维的理化结构和力学性能，阐明纤维材料的制备-结构-性能之间的内在关系；通过体外和体内生物学实验，研究超细定向壳聚糖纤维在体外构建肌腱组织工程支架和体内修复肌腱缺损的生物学效应及机制。这些研究将为探索和发展新型、实用、高性能的仿生纤维材料应用于肌腱组织工程提供新方法、新材料、和新科学依据。

在组织工程中，制备能仿生天然组织中胶原的纳-微米超细纤维结构并实现有序排列对仿生构建结构特异性组织（如肌腱）有重要意义。本研究以壳聚糖（CTS）为研究对象材料，通过发展一种新颖的稳定射流电纺丝（SJES）方法来制备连续、定向、超细、高强的CTS纤维用于肌腱组织工程。系统地研究了SJES的纺丝参数对制备取向CTS超细纤维的影响，分析了SJES射流的形成机理和模拟了其变化过程，表征了所制备纤维的形貌、结构与性能，最后对CTS基取向纤维进行了京尼平（GP）蒸汽交联处理。结果表明：引入聚氧化乙烯（PEO）调节纺丝液的粘弹性与电场力之间的平衡，是抑制电纺丝射流的鞭甩状弯曲摆动来形成单一的稳定射流的关键。SJES法制备的取向CTS超细纤维的直径可细化到3 µm左右。CTS单丝的断裂强度和纤维模量分别达到762±93 MPa和11±6 GPa。SJES法制备的CTS超细纤维与常规电纺丝法制备的纤维相比，具有较高的微晶取向度。GP蒸汽相比戊二醛蒸汽交联更有利于CTS纤维形貌的维持，交联降低了CTS纤维的溶胀率，也提高了其热稳定性和干态下的力学性能，但在湿态下的力学性能仍然较低。GP交联的CTS纤维具有较好的细胞相容性。进一步，发现SJES法也适用于制备纤维细度< 1 µm的聚乳酸等合成聚合物取向超细纤维、壳-芯复合纤维、及3D有序纤维结构。以SJES法制备的CTS基取向超细纤维为仿生支架（用无序的CTS纤维为对照），以诱导多能性干细胞来源的间充质干细胞（ips-MSC）为种子细胞，研究了取向CTS基超细纤维的体外生物学特性和体内修复肌腱缺损的效应。体外实验结果表明：取向纤维材料可以更好地调控细胞沿纤维方向生长，抑制ips-MSC的成骨分化倾向，在14天时取向纤维上的肌腱细胞和细胞外基质相关基因的表达比无序组高，说明取向纤维更有利于ips-MSC向肌腱分化。对大鼠跟腱进行的原位修复的结果（2W, 4W）表明：随材料移植的ips-MSC在修复处仍然存活，取向纤维组相对无序组的修复所形成的肌腱纤维结构更致密，排列更平行，胶原生成量更多，直径分布更粗，取向纤维组的生物力学也优于无序组，说明取向纤维组的肌腱修复效果更好。上述研究结果为探索和发展新型、实用、高性能的仿生纤维材料应用于肌腱（及其他结构特异性组织）的仿生构建提供了新方法、新材料、和新科学依据。