天津大学袁晓燕教授团队:通过原位交联形成具有高回弹性的静电纺丝膜

  • 发布时间:2025.05.13
  • 作者:wemaxnano

在软组织再生领域,开发弹性且可降解的支架以及小直径血管移植物(SDVGs)具有重要的临床意义。当前虽然多种弹性生物材料已被开发用于制备生物相容性 SDVGs,但进一步增强其顺应性仍是研究的关键目标。合成和天然聚合物如 PCL、PGS、PU、PEUU、丝素蛋白、胶原蛋白等常被用于 SDVGs 的制备。其中,PCL 具有良好的生物相容性,但因其半结晶性质导致弹性较低;而 PGS 则因其优越的柔韧性和柔软性受到关注,不过需通过与缓慢降解的聚合物混合或交联来调节降解速率。

鉴于此,研究团队致力于探索一种能够有效提升支架弹性与顺应性的新方法,以满足血管再生和软组织修复的临床需求。来自天津大学材料科学与工程学院袁晓燕教授的团队在《Chem. Res. Chinese Universities》期刊发布了“Formation of Electrospun Membranes with High Resilience by In situ Crosslinking”的最新研究成果。该团队通过 PGS-MA 与 PEGDA 的原位光交联,成功制备出不同质量比的 PCL/PGS 静电纺丝膜和管状支架,显著提升了其弹性。这一成果为小直径血管移植物的应用提供了新思路,有望推动血管再生领域的研究进展。

该团队通过将聚甘油癸二酸酯(PGS-MA)与聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)进行原位光交联,成功制备了不同质量比的聚己内酯(PCL)和 PGS 静电纺丝膜及管状支架。具体方法是将 PCL 和 PGS-MA 溶解在三氟乙醇中,加入 PEGDA 和光引发剂二甲氧基苯乙酮(DMPA),通过静电纺丝技术在紫外光照射下形成交联网络,从而制备出具有不同 PCL 和 PGS-MA 质量比(如 8PCL/2PGS、6PCL/4PGS、5PCL/5PGS 和 4PCL/6PGS)的膜和管状支架。详见图一。

静电纺丝生产装置微迈-PCLPGS 静电纺丝膜的示意图1
图 1:PCL/PGS 静电纺丝膜的示意图、差示扫描量热法(DSC)热图、水接触角和扫描电子显微镜(SEM)图像,包括平均纤维直径(纳米)
 

交联结构不仅提供了静电纺丝膜和管状支架的弹性特性,还保持了低溶血性和适宜的细胞相容性。图 2A 展示了 PCL/PGS 静电纺丝膜的溶血结果,所有样品的溶血率均低于 1%,远低于国家标准 GB/T16175–2008 对生物医用材料的要求(5%),表明其具有良好的血液相容性。同时,图 2B 和图 2C 分别展示了蛋白吸附和血小板粘附结果,表明随着 PGS 含量的增加,蛋白吸附量减少,且血小板粘附数量低,无伪足形成,进一步证明了 PCL/PGS 静电纺丝膜的生物相容性良好。

静电纺丝生产装置微迈-血小板在静电纺丝膜上的粘附情况2
图 2:样品在 37°C 下与红细胞(RBC)悬浮液孵育 2 小时后的溶血情况及对应图片、牛血清白蛋白(BSA)和牛纤维蛋白原(BFg)的吸附量以及血小板在静电纺丝膜上的粘附情况

 

随着 PGS 含量从 8PCL/2PGS 增加到 5PCL/5PGS,PCL/PGS 静电纺丝膜的拉伸强度增强。图 3E 和图 3F 分别展示了不同质量比的 PCL/PGS 静电纺丝膜在干态和湿态下的杨氏模量和拉伸强度,从图中可以看出,随着 PGS 含量的增加,样品的拉伸强度逐渐提高,而杨氏模量则有所降低,这表明材料的柔韧性增加,更符合血管组织的力学特性。图 3C 和图 3D 分别展示了不同质量比的 PCL/PGS 静电纺丝膜在干态和湿态下的循环拉伸曲线,从图中可以看出,随着 PGS 含量的增加,样品的不可逆变形逐渐减小,尤其是在湿态下,4PCL/6PGS 样品的不可逆变形显著降低,表明其回弹性得到了显著提高。

静电纺丝生产装置微迈-干态和湿态下的典型拉伸应力-应变曲线4
图 3:干态和湿态下的典型拉伸应力-应变曲线(A、B)以及在最大应变 50% 下的循环拉伸应力-应变曲线(C、D)、相应的杨氏模量(E)、拉伸强度(F)和断裂伸长率(G)、6PCL/4PGS 在拉伸试验中的照片(H)以及拉伸试验后样品的形态(I)

 

图 4I 展示了不同质量比的 PCL/PGS 管状支架的顺应性测试结果,从图中可以看出,随着 PGS 含量的增加,管状支架的顺应性逐渐提高,其中 5PCL/5PGS 和 4PCL/6PGS 的顺应性分别达到 1.67%±0.37% 和 2.28%±0.49% 每 100 mmHg,与天然大隐静脉(1.5% 每 100 mmHg)相近,表明其具有良好的血管顺应性匹配性。图 4J 和图 4K 分别展示了 PCL 和 4PCL/6PGS 管状支架在压缩和拉伸后的形态恢复能力,从图中可以看出,4PCL/6PGS 管状支架在压缩和拉伸后能够轻松恢复原形,而 PCL 管状支架则表现出明显的不可逆变形,这进一步证明了 PCL/PGS 管状支架的优越弹性和在血管再生领域的应用潜力。

静电纺丝生产装置微迈-PCL 和 4PCL 6PGS 支架的形状恢复能力5
图 4:纵向(A)和周向(B)方向的典型拉伸应力-应变曲线以及相应的杨氏模量(C)、拉伸强度(D)、断裂伸长率(E)和爆破压力(F)、在最大应变 20% 下的典型循环拉伸应力-应变曲线(G、H)、电纺管状支架的顺应性(I)以及在压缩(J)和拉伸(K)前后的 PCL 和 4PCL/6PGS 支架的形状恢复能力

 

综上所述,团队通过 PGS-MA 与 PEGDA 的原位光交联,成功制备出不同质量比的 PCL/PGS 静电纺丝膜和管状支架,显著提升了材料的弹性与生物相容性,这一成果为血管再生领域的小直径血管移植物(SDVGs)应用提供了新思路。值得一提的是,静电纺丝技术在生物材料领域越来越展现出强大的应用潜力,在制备各类高性能的新材料中,其高精度和稳定性确保了纤维膜的均匀性和性能一致性,无论是对于基础科研探索还是未来产业化生产,都是不可或缺的得力工具。微迈MN60实验级小试静电纺丝设备,搭载多针智能下纺系统,精准模拟量产条件,可助力科研团队高效完成配方优化、工艺验证。

 

 

文献来源:https://doi.org/10.1007/s40242-025-5026-8

 

 

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