一、研究背景

骨骼肌是运动系统的重要组成部分，能够在轻微损伤后再生。然而，严重的肌肉损伤往往超过其自然再生能力，导致慢性功能缺陷。新兴研究强调各向异性材料是骨骼肌组织工程的有希望的候选者，因为它们的结构和功能与天然组织相似。在现有的制造技术中，静电纺丝以其独特的优势脱颖而出，超过了三维（3D）打印和微图案等方法。虽然3D打印难以复制肌肉纤维的精细定向排列，微图案虽然在微观尺度上有效，但无法达到纳米纤维控制的精度，但静电纺丝在制造高度排列的纤维支架方面表现出色。它不仅具有成本效益，而且具有可扩展性，可以大规模生产对广泛的组织工程应用至关重要的排列纤维。此外，广泛适用于静电纺丝的生物相容性和可生物降解聚合物增强了其在体内的适用性，克服了其他技术中经常遇到的材料限制。因此，结合纳米级结构、精确的纤维排列、机械适应性和可扩展性，静电纺丝成为骨骼肌组织工程的优越方法。

虽然聚己内酯（PCL）广泛应用于静电纺丝，但其固有的疏水性会阻碍细胞的粘附、迁移、增殖和分化，导致细胞亲和力降低，组织形成缓慢。虽然表面修饰技术和生物活性材料的掺入可以改善PCL的亲水性，但这些方法往往使制造过程复杂化，并可能导致材料性能的变化。相比之下，从蚕茧中提取的丝素（SF）由于其生物相容性、机械强度、和可生物降解性，在组织工程的支架、薄膜、和水凝胶中受到青睐。SF天然具有更亲水的表面，可以增强细胞粘附，促进更强健的组织生长，而不需要额外的修饰。静电纺丝SF纳米纤维支架已经应用于皮肤、骨骼、血管和神经组织工程。然而，传统的静电纺丝往往产生无序和不规则排列的纤维。实现定向静电纺丝纳米纤维相对具有挑战性。虽然一些静电纺丝技术可以生产出排列整齐的SF纳米纤维，但它们通常使用高速靶或复杂的集热器，并且由于排斥性残余电荷和先前沉积的纳米纤维的绝缘效应，排列程度和收集速率可能会随着垫的厚度而降低。(30)

为了解决这些问题，我们开发了一种简单有效的利用SF制备定向组织支架的方法。利用磁场收集装置，在纺丝溶液中加入Fe3O4纳米粒子，结合磁场和电场的作用，通过静电纺丝设备制备出排列良好的丝纳米纤维。我们发现，排列良好的SF纤维构建了具有定向结构的支架，提高了机械性能，并具有一定的磁响应性。该支架有效地引导间充质干细胞沿排列的SF纤维粘附、增殖和分化成血管。此外，当在排列的丝纳米纤维上培养成肌细胞C2C12细胞时，我们观察到细胞沿取向方向生长，这表明排列的SF纤维在骨骼肌工程中具有进一步的生物医学应用潜力。

二、摘要

在骨骼肌组织工程领域，模仿天然组织的各向异性材料大有可为。模仿细胞外基质纤维结构的电纺支架是常用的材料，但往往无法达到最佳的排列和机械强度。蚕丝纤维素因其生物相容性、机械坚固性和生物可降解性而成为组织工程中的一种多功能材料。然而，传统的蚕丝纤维电纺丝方法会产生随机取向的纤维，从而限制了其功效。在这项工作中，我们开发了一种利用蚕丝纤维素制造定向组织支架的简单方法。通过集成磁场收集装置并在纺丝溶液中加入 Fe3O4 纳米粒子，我们通过静电纺丝设备成功制备出排列整齐的蚕丝纳米纤维支架。这些排列整齐的纤维不仅改善了支架的取向和机械性能，还表现出了磁响应性。排列整齐的 SF 支架能有效引导间充质干细胞沿纤维方向粘附、增殖和分化。在这些支架上培养的成肌细胞 C2C12 表现出定向生长，突显了对齐 SF 纤维在推进骨骼肌工程生物医学应用方面的潜力。

三、结论

总之，我们利用磁场辅助收集装置成功制造出了排列整齐的蚕丝纳米纤维，并在纺丝溶液中加入了 Fe3O4 纳米粒子。这些排列整齐的纳米纤维沿其取向方向显示出很高的拉伸强度和弹性模量，有利于细胞增殖和伸长。重要的是，排列整齐的蚕丝纳米纤维支架能促进细胞分化成血管结构，而无需额外的诱导剂，并能引导 C2C12 成肌细胞沿纤维排列方向定向生长。在我们的研究中，支架在促进 C2C12 细胞分化方面的功效与其他电纺丝技术相当（42,43），尽管采用的是更简单的制造工艺。这些结果表明，我们的方法为支架的生产提供了一种简化而有效的替代方案，在 C2C12 细胞分化中实现了类似的增强效果。总之，这些发现为我们的支架在骨骼肌组织工程中的潜在应用奠定了坚实的基础。

图1. 排列整齐的 SF 纳米纤维支架促进细胞沿方向生长的示意图

图2.RSF、RSF- fe和ASF-Fe纳米纤维的表征。（A - C） RSF (A)、RSF- fe (B)和ASF-Fe (C)纳米纤维的SEM图像。（D -F） RSF (D)、RSF- fe (E)和ASF-Fe (F)纳米纤维的直径分布。RSF、RSF- fe和ASF-Fe的FTIR光谱(G)和VSM磁滞回线(H)。

图3.在血管生成培养基中的 RSF、RSF-Fe 和 ASF-Fe 纳米纤维上培养 7 天的 C2C12 细胞的代表性激光共聚焦显微照片图像（A）和扫描电镜图像（B）。