仿生超细“中性纤维”的设计制备与修复肌腱缺损功效评价

Biodegradable aliphatic polyesters in fibrous form are a class of well-liked biomaterials for tissue scaffolding applications. However, how to alleviate the well-known adverse effect (e.g., sterile inflammation, due to their acidic by-products of degradation) remains a prominent issue to be addressed. The current proposal is to develop a novel poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) based composite fibers in ultrafine fineness (preferably less than 1 um in diameter) via electrospinning, in which bioactive basic amino acids (e.g., Lys, Arg, and His) are incorporated for the purpose of neutralizing the acidic degradation products. It is speculated that pH of tissue microenvironment surrounding such kind of fibrous scaffolds could be stabilized within normal physiological regions, which accordingly gives this type of fibers the term "pH-neutral fibers". Furthermore, taking engineering tendon tissue as a representative paradigm, biological efficacy and underlying mechanism are investigated with the pH-neutral fiber scaffolds of PLGA. The project entails following three key stages: 1) electrospinning of ultrafine PLGA fibers containing basic amino acids, 2) assessments on structure and physicochemical properties, degradation kinetics and pH-neutralization capacity of the developed fibers, and 3) evaluation of biocompatibility in vitro and in vivo as well as investigation of efficacy and mechanism in repairing tendon defects in vivo. This proposed project will elucidate the process-structure-performance relationship and the underlying mechanisms in pH-neutralization and biological effects of the PLGA "pH-neutral fibers". It will also pave the way for the design and fabrication of other types of "pH-neutral fibers" for regenerative applications with significant potential of clinical translations.

聚酯类纤维材料是一类重要的组织工程支架构建材料，但其酸性降解产物引起的不利生物学反应(如无菌炎症反应)是目前仍未解决的重要生物材料学问题。本课题基于电纺丝超细纤维制备技术，提出在电纺的乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)纤维中引入生物活性碱性氨基酸组分，发展一种可使植入后组织微环境的pH呈中性的仿生超细纤维(细度<1um，简称“中性纤维”)，并以组织工程化肌腱的仿生构建为例，研究其生物学功效与作用机制。项目将研究：1) 碱性氨基酸改性的PLGA 超细纤维的设计制备；2) 碱性氨基酸改性的PLGA 超细纤维的结构及理化性能、降解行为及对酸性降解产物的中和能力；3) 生物相容性及肌腱缺损修复功效与机理。项目的成功实施将阐明仿生超细“中性纤维”的制备-结构-性能之间的内在联系和生物学调控作用机制，为仿生构建工程化组织提供新材料，推动仿生纤维生物材料在再生医学中的应用。

聚酯类纤维材料是一类重要的组织工程支架构建材料，但其酸性降解产物引起的不利生物学反应（如无菌炎症反应）限制了其在组织再生中的应用。本研究基于稳定射流电纺丝（SJES）技术，通过在电纺的乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）纤维中引入具有生物活性的天然碱性成分——赖氨酸（Lys）和壳聚糖（CTS），对PLGA进行改性，发展具有酸度中和特性的“中性纤维”，用于肌腱组织工程。.基于碱性氨基酸Lys，首先分别通过混纺和嫁接两种方法对PLGA取向纤维进行改性。结果表明：通过混纺制备的Lys/PLGA纤维能有效缓解PLGA降解的酸性问题；Lys的引入能提高细胞的增殖、黏附及胶原分泌能力。动物实验证明Lys/PLGA纤维能减少炎症细胞的侵入，缓解炎症反应。而通过嫁接改性的PLGA取向纤维，虽能一定程度上缓解PLGA降解引起的pH降低，但由于嫁接Lys量有限，远期的中和效果不显著。同时，Lys嫁接后使纤维力学性能和细胞增殖下降。.基于碱性多糖CTS，通过同轴电纺的方法制备了CTS/PLGA壳芯取向纤维。结果表明：CTS/PLGA壳芯取向纤维在干/湿态下都具有良好的力学性能，利用CTS壳层能有效缓解PLGA芯层降解引起的pH下降，降解8周后可使pH维持在6以上。体外实验发现，CTS/PLGA降解液由于CTS的酸度中和作用能有效提高细胞相容性，减少促炎症因子的表达。CTS/PLGA纤维不利于细胞黏附并延缓细胞增殖，但能有效促进细胞的迁移及胶原表达。体内植入大鼠皮下2周和4周，CTS/PLGA纤维可有效减缓炎症细胞（比如巨噬细胞）的长入、异物巨细胞和新生血管形成，有利于组织再生。.为研究CTS/PLGA壳芯取向纤维对于体外肌腱分化及体内肌腱修复的功效，在CTS壳层中引入了肌腱来源的脱细胞基质（sTECM）。研究表明：sTECM改性后的CTS/PLGA壳芯取向纤维能有效促进细胞增殖、ECM分泌及肌腱分化；对大鼠肌腱原位修复结果表明，sTECM改性后的CTS/PLGA壳芯取向纤维再生的肌腱更为成熟，胶原分布更好，直径更粗，生物力学性能更优，肌腱特异性标志表达也更显著。.上述研究结果为发展新型、实用、高性能的仿生纤维材料应用于再生医学提供了新方法、新材料、和新科学依据。