一、研究背景

组织工程学的目标是制造出能维持、恢复或改善原生组织功能的合成组织。工程师们利用形成无细胞支架和播种细胞的支架来实现这些目标。无细胞支架通常用于为新组织的发育提供空间。这些支架可作为细胞外基质，促进细胞在体内的粘附和生长。带有播种细胞的支架具有更重要的意义，因为它们接近于人体组织。细胞粘附和迁移必须在这些支架内进行。总之，支架通常是多孔的，由多种方法制成，如电纺丝、相分离、冷冻干燥和自组装。它们通过提供可使细胞生长的可生物降解基质，增强人体的自愈能力。

静电纺丝生产设备电纺丝是生产支架的一种快速高效的方法，因为它允许科学家控制纳米纤维和纳米孔的尺寸等参数。在仔细选择聚合物和适当溶剂的基础上，还可以构建其他参数。在电纺丝过程中，聚合物将溶解在挥发性溶剂中，然后装入注射器。这种液体通过注射泵以恒定的速度从针尖挤出。此外，正极或负极导线将连接到注射器针尖，而接地导线则放置在集电板上。注射器针尖与集电板之间的距离会因聚合物溶液的性质而异。当聚合物溶液上的静电力克服表面张力时，聚合物溶液将形成射流，并最终流向收集板。当射流流向集流板时，液体会加速并在集流板上沉积聚合物微纤维/纳米纤维。

利用现有方法，细胞在支架形成后被播种到支架上。细胞播种需要三个步骤：支架的制作、细胞的分化和细胞与支架的结合，因此非常耗时。细胞分化本来就很耗时，还需要额外的成分，如生长因子。细胞分化和播种后还会出现另一个问题：细胞扩散到支架中的能力有限。有限的扩散会造成细胞分布不均匀，从而导致支架不同区域的特性和细胞密度不同。这可能不利于支架在体外和体内的寿命。增加支架中细胞分散性的一种可行方法是将细胞直接纳入电纺丝过程。

有证据表明，外加磁场会影响细胞分化。产生的电场很可能会影响细胞膜。当细胞膜被迫改变形状时，它将扭曲细胞的细胞骨架，而细胞骨架将细胞膜连接到细胞核。细胞骨架的这种变化会影响表达的基因，导致产生不同的细胞信号，从而诱导分化。将干细胞纳入电纺过程将使其暴露在电场中，这可能会诱发独特的行为（即细胞分化），正如之前报道的使用较低电压时的情况。虽然这有可能取得成功，但也有许多潜在危险需要考虑。

在这一过程中，人们担心细胞无法承受电纺丝过程中使用的电压。虽然电场可以导致独特的行为，但过大的电场可能会损害细胞的存活能力。此外，电场还可能使细胞膜上的特定蛋白质通道变性，从而对细胞造成不可修复的损伤。为防止这种情况发生，电压将尽可能保持在较低水平。典型的电纺电压从 1 千伏到 30 千伏不等。创建支架所需的电压因所用聚合物而异。

Jayasinghe 等人利用永生化人脑星形细胞瘤进行同轴电纺丝；一年后，作者描述了利用原代猪血管平滑肌细胞或兔主动脉平滑肌细胞进行电纺丝的情况，而保护聚合物则是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。Yunmin等人的研究显示，在电纺丝聚乙烯醇（PVA）的同时，对人脂肪干细胞（ASCs）进行了生物电喷涂，但该研究使用了两根独立的针。最近，Hoare 等人使用酰肼官能化 POEGMA（POH）和醛官能化 POEGMA（POA）以及聚环氧乙烷（PEO）成功包裹了 NIH 3T3 成纤维细胞并对其进行电纺丝。

这项研究将测试两种不同的聚合物组合：胶原蛋白/聚环氧乙烷（PEO）和明胶/普鲁兰。这些聚合物组合将在 8 千伏左右的外加电压下进行电纺丝。本实验的另一个限制因素是用于溶解聚合物的溶剂。在目前的电纺丝方法中，胶原蛋白的常用溶剂包括 1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇（HFP）、2,2,2-三氟乙醇（TFE）或酸（三氟乙酸（TFA）、乙酸、盐酸）[22,23]。如果将细胞直接加入聚合物-溶剂溶液中，这些溶剂可能会产生毒性。为了克服这一限制，研究小组将使用细胞介质作为溶剂。

之所以选择胶原蛋白作为初始聚合物，是因为它是人体天然细胞外基质的主要成分。然而，胶原蛋白通常使用醋酸溶剂进行电纺，这很可能会导致细胞死亡。目前还没有研究试图证明以细胞介质为溶剂电纺胶原蛋白是否成功。因此，我们还将使用其他聚合物来确定哪种聚合物能形成最佳支架。此外，胶原蛋白在电纺丝过程中可能会降解，但也有报道称使用不同方法进行了成功试验，包括用甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸乙酯修饰胶原蛋白表面。明胶只是变性的胶原蛋白，因此，它可以与胶原蛋白一样成功地制作支架。由于之前的研究已经确定，当 PEO 与其他聚合物一起进行电纺时，可以提高均匀纤维的产量，因此我们决定也使用 PEO。普鲁兰和明胶通常一起用于水凝胶，而且普鲁兰具有抗氧化潜力。因此，研究小组将使用普鲁兰、明胶或两者的组合进行电纺丝。将使用脂肪源性干细胞（ADSCs），因为它们易于获得，并有可能产生各种终末分化细胞，如成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞和神经元。这些细胞将在电纺丝前直接加入五种聚合物溶液中。据研究小组所知，这是首次使用这些天然材料电纺活细胞。

二、摘要

静电纺丝生产设备电纺丝是一种支架生产方法，它利用电力将聚合物溶液拉成纳米级纤维。通过优化聚合物和电纺丝参数，可制造出具有所需厚度、排列和孔径的支架。传统上，细胞和生物成分会在电纺丝后植入三维支架的基质中。我们的设计是在 8 千伏的电纺过程中同时将细胞引入支架。在这项研究中，我们通过静电纺丝生产设备电纺丝使源自脂肪组织的干细胞达到了 90% 的存活率。

三、结论

该项目的成功为组织工程学开辟了一个新的研究领域。细胞可直接融入电纺丝过程这一发现在组织工程领域有许多潜在的好处。在本文中，在明胶/普鲁兰浓度为 5 毫克/毫升的情况下，用 8 千伏的外加电压进行了电纺丝观察，但仍有许多聚合物和细胞类型的组合可以进行测试。这种设计的应用是无限的，细胞的许多特性可能会随着电压和材料的变化而改变。虽然这种方法仅限于水溶性聚合物，但使用核壳技术可以使用其他聚合物。通过使用核壳技术，外层聚合物可以装入电池，而内核可以装入不溶于水的聚合物。

图1.活细胞电纺丝装置示意图

图2.(A) 对照组和 (B) 拉普兰/明胶/细胞中脂肪衍生干细胞的肌动蛋白染色（10×）。Phalloidin 488（绿色）标记肌动蛋白，DAPI（蓝色）标记细胞核。(C）细胞被 FITC（绿色）共轭明胶包围。