静电纺聚氨酯纤维在组织工程领域中的研究进展

Abstract

Polyurethane materials have good biocompatibility, blood compatibility, mechanical properties, fatigue resistance and processability, and have always been highly valued as medical materials. Polyurethane fibers prepared by electrostatic spinning technology can better mimic the structure of natural extracellular matrices (ECMs), and seed cells can adhere and proliferate better to meet the requirements of tissue repair and reconstruction. The purpose of this review is to present the research progress of electrostatically spun polyurethane fibers in bone tissue engineering, skin tissue engineering, neural tissue engineering, vascular tissue engineering and cardiac tissue engineering, so that researchers can understand the practical applications of electrostatically spun polyurethane fibers in tissue engineering and regenerative medicine.

0. 引言

聚氨酯具有优异的机械性能、可加工性、柔韧性、抗血栓性和良好的生物相容性^[1]，是最受欢迎的生物医用高分子材料之一。静电纺丝技术利用高电压差使聚合物溶液携带电荷，当聚合物溶液从喷嘴喷射到接收器上时，可以生成厚度可控且具有不同形貌和孔隙度的纳米纤维膜或支架^[2]。纺丝纤维薄膜的多孔三维网络与天然组织的细胞外基质结构具有高度相似性^[3-4]，利于细胞附着和增殖。此外，静电纺丝技术具有设备简单、成本效益高、技术成熟等优点，已广泛应用于科研和工业生产领域。

静电纺纳米纤维的形貌与纺丝液性质、工艺参数等因素密切相关。在静电纺丝过程中，适当的溶液浓度和黏度是获得均一纳米纤维材料的关键，随着溶液浓度的增大，纤维的直径会随之增大，而黏度过大，则会导致纤维的直径分布不均匀^[5]。此外，静电纺丝只有达到阈值电压才能生成纤维，阈值电压在纺丝过程中会导致溶液中电荷的显著差异；通过增加电压和调控电荷值，可以减少纤维中液滴和小珠的形成^[6-7]。此外，喷嘴尖端与收集器之间的距离是控制纤维直径及形貌的关键因素。一般而言，当距离较小时，纤维在到达接收器前没有足够的时间凝固，会形成平均直径较大的纤维，甚至出现串珠状形貌；随着距离增大，纤维在飞行过程中时间变长，射流拉伸程度增加，溶剂挥发效果变好，得到的纤维直径变小^[7]。因此，选择适当的溶液浓度、工艺参数可获得理想的纤维结构。根据目标组织和组织周围环境设计的具有最佳孔径的静电纺纳米纤维支架，可提供适当的细胞环境来促进新组织的形成、重塑和整合。

组织工程应用医学、生物学和工程学的原理，开发用于恢复、维持及提高受损伤组织和器官功能的生物学替代物^[8]。近年来，组织工程支架作为细胞生长输送营养及排泄代谢产物的三维多孔结构的细胞载体^[9]，国内外科研工作者对此做了大量的探索，其中静电纺丝技术被认为是最有用的技术之一。利用静电纺丝技术制备的聚氨酯纳米纤维具有与人体相近的机械强度、热稳定性和生物可降解性，且与人体组织细胞外基质相似，可以有效促进细胞的黏附、生长和增殖，促进组织和器官的修复^[10]。本文主要介绍了静电纺聚氨酯纤维在骨组织工程、皮肤组织工程、神经组织工程、血管组织工程和心脏组织工程等方面的研究进展和应用。

1. 骨组织工程

静电纺骨组织支架被广泛用于诱导周围骨组织的自然生长，修复由骨质疏松症、创伤和骨骼疾病引起的骨损伤问题。相比大多数聚合物，聚氨酯具有良好的生物相容性、较好的机械性能和抗血栓性。但是，由于聚氨酯的导电性差，不能有效地刺激成骨细胞的分化，从而限制了它在骨组织工程中的应用。因此大量研究者尝试通过复合导电填料来改善导电性。此外，无机纳米材料的加入或功能化修饰，还有利于改善聚氨酯的机械性能、生物矿化和抗凝等性能。

Shrestha等^[11]采用静电纺丝技术制备了聚氨酯/氧化锌-功能化多壁碳纳米管生物活性支架。微量的ZnO可以赋予电纺支架良好的抗菌活性，而功能化的碳纳米管具有骨刺激性质，有利于促进成骨细胞前体细胞（MC3T3-E1）的成骨分化；此外，相比纯的聚氨酯支架，聚氨酯/氧化锌-功能化多壁碳纳米管（0.4 wt%）电纺生物支架在拉伸应力、生物矿化和生物相容性方面也表现出显著的改善。因此，这种新型的多功能电纺纤维支架是一种有前景的骨诱导生物材料。为了改善支架的物理机械性能和成骨生物活性，Ghorai等^[12]通过在纳米羟基磷灰石（nano hydroxyapatite，nHA）中掺入了微量（0.15 wt%）的羧基化多壁碳纳米管（carboxylated multi-walled carbon nanotubes，CCNT）获得混合纳米材料CCNTH，然后采用原位技术将CCNTH引入聚合物中，并通过静电纺丝技术制得骨组织支架，制备流程图如图1所示。结果表明，CCNT的掺入不仅使纳米纤维支架的抗拉强度和硬度分别提高了94.5%和173.6%，而且促进了骨传导细胞的黏附和扩散，表现出良好的细胞相容性和骨再生效果。Tang等^[13]受天然骨组织内源性电场的启发，采用静电纺丝技术制备了具有良好电活性的苯胺三聚体改性的聚氨酯纤维薄膜。研究表明，苯胺三聚体可以通过恢复电生理微环境，调节细胞特定位点行为，清除细胞内过量的活性氧，提高细胞内Ca²⁺浓度，从而促进细胞增殖和成骨细胞分化。

图 1.

Schematic diagram of a functionalized carbon nanotube-doped nanofiber hybrid scaffold for bone tissue regeneration

用于骨组织再生的功能化碳纳米管掺杂纳米纤维杂化支架示意图^[12]

Reprinted with permission from ref. [12] (Ghorai et al. 2022). Copyright 2022 Elsevier

此外，可以通过改善亲水性来改善聚氨酯的生物相容性和抗凝血性能。Jaganathan等^[14]采用静电纺丝法制备了由聚氨酯、橄榄油、蜂蜜和蜂胶组成的纳米纤维复合支架。接触角测试结果表明，聚氨酯/橄榄油纺丝纤维支架具有疏水性，而聚氨酯/橄榄油/蜂蜜/蜂胶支架则具有亲水性。与纯聚氨酯和聚氨酯/橄榄油复合支架相比，聚氨酯/橄榄油/蜂蜜/蜂胶纳米复合支架的凝血时间明显延长，抗凝血性能得到明显改善；并且复合支架还具有优异的机械性能和良好的生物相容性，可以满足人体骨组织支架的性能要求。此外，该研究组还开发了一种以聚氨酯与玉米油、印楝油混合物为基础的静电纺丝支架^[15]，得到了与聚氨酯/橄榄油/蜂蜜/蜂胶纳米复合支架同样的效果。

2. 皮肤组织工程

皮肤作为抵御病原体的屏障，一旦发生损伤，病原体的聚积将会导致创面感染^[16]。真皮置换治疗方法不仅成本高，还伴有感染后糜烂的风险^[17]。因此，需要开发一种经济、可靠的皮肤替代物来满足临床需求。理想的皮肤替代物需要满足天然皮肤的仿生结构和生物学功能^[18]。通过静电纺丝技术制备的厚度可控和高比表面积的多孔纤维支架，可有效促进上皮细胞的增殖和新组织的形成^[19-20]，同时，具有高比表面积的静电纺聚氨酯纤维可为抗菌类药物的负载提供丰富的活性位点，进而提高它在皮肤组织修复中的应用前景。

Chen等^[21]采用静电纺丝技术制备了含有莫匹罗星的聚氨酯纤维伤口敷料。Kirby-Bauer Disc法测试结果表明共混聚氨酯纤维具有良好的金黄色葡萄球菌抗菌作用。此外，药物释放研究表明，共混纤维在第三天的释放量超过90%，可有效控制前期感染问题。因此，莫匹罗星修饰的聚氨酯纤维在烧伤早期的感染控制以及加速伤口愈合方面具有潜在应用价值。此外，Sheikholeslam等^[22]利用静电纺丝技术制备了一种聚氨酯/明胶可生物降解的支架，制备过程如图2所示。结果表明，将20 wt%的聚氨酯引入明胶支架可显著提高支架的抗降解性、屈服强度和伸长率。同时，细胞可在支架上附着、增殖，不会引起免疫排斥反应。20天后，巨噬细胞数量明显降低，生成少量的肌成纤维细胞。总的来说，聚氨酯/明胶复合支架可以作为脱细胞外基质的皮肤替代品，为未来与皮肤祖细胞共同改进皮肤再生支架提供了理论基础。

图 2.

Schematic diagram of preparation of hybrid gelatin-based electrospinning bracket

混合明胶基静电纺丝支架制备示意图^[22]

Reprinted with permission from ref. [22] (Sheikholeslam et al. 2020). Copyright 2020 American Chemical Society

Wan等^[23]通过共静电纺丝技术制备了S-亚硝化角蛋白/聚氨酯/明胶复合型伤口敷料。结果表明，S-亚硝化角蛋白作为一种NO生物大分子供体，具有较低的毒性和优于小分子供体的稳定性；此外，复合伤口敷料具有良好的生物相容性和生物活性，可有效促进皮肤的愈合。为改善聚氨酯纳米纤维敷料的润湿性，Sofi等^[24]采用水热沉淀法将鱼胶原蛋白分子涂覆在聚氨酯纤维上，具体制备过程如图3所示。结果表明10 wt%胶原蛋白修饰的聚氨酯纳米纤维，可以有效促进成纤维细胞的黏附、生长和增殖，从而促进皮肤组织的修复。因此，鱼胶原蛋白修饰的聚氨酯纳米纤维作为皮肤修复的复合基质具有一定的应用潜力。

图 3.

The extraction process of fish scale collagen and schematic diagram of preparation of super hydrophilic PU/collagen nanofiber

鱼鳞胶原蛋白提取过程及超亲水性聚氨酯/胶原蛋白纳米纤维制备示意图^[24]

Reprinted with permission from ref. [24] (Sofi et al. 2022). Copyright 2022 Elsevier

3. 神经组织工程

周围神经缺损作为神经创伤患者常见的临床疾病，严重时会影响大脑与肌肉和器官的交流能力，导致自主运动障碍、感觉功能障碍和自主神经功能障碍等症状^[25]。静电纺聚氨酯纤维支架具有一定的生物相容性、合适的机械性能、高弹性以及柔韧性和延伸性，将聚氨酯纤维支架与其他功能性材料复合，表面修饰生物黏附蛋白或其功能替代物，纤维支架与治疗药物相结合等策略是治疗周围神经损伤的有效方法。

Shrestha等^[26]采用静电纺丝技术制备了聚氨酯/丝素蛋白/功能化多壁碳纳米管的纤维支架材料，功能化多壁碳纳米管的加入增强了材料表面的生物电活性，定向排列的纤维支架有利于许旺细胞和大鼠嗜铬细胞瘤细胞的黏附、增殖和分化，引导神经突沿着纤维定向生长。Thampi等^[27]首先通过静电纺丝技术制备了随机排列的聚碳酸酯聚氨酯/炭黑纤维薄膜，然后利用电喷涂技术将氧化石墨烯涂覆在导电纤维薄膜表面，提高了其孔隙率、粘弹性和弹性模量，但对纤维薄膜的表面电导率基本没有影响。氧化石墨烯和聚L-赖氨酸提供的物理化学信号可以促进神经突的生长；动物实验表明，导电纤维膜表面的氧化石墨烯层有利于大鼠嗜铬细胞瘤细胞的附着和增殖，在促进定向神经突生长方面具有独特优势。Nasab等^[28]采用静电纺丝技术制备了聚氨酯、聚氨酯/胶原蛋白和聚氨酯/胶原蛋白/纳米生物玻璃三种新型神经导管。结果表明，纳米生物玻璃的加入有利于轴突从近端向远端生长，因此，聚氨酯/胶原蛋白/纳米生物玻璃导管可有效促进周围神经再生，达到良好的坐骨神经修复效果；此外，该神经导管还具有良好的物理化学性能、生物相容性和生物降解性。Alipour等^[29]通过双喷头静电纺丝技术制备了含有芬戈莫德的聚氨酯/聚己内酯/明胶纤维支架。研究表明，复合纤维的直径、机械性能、降解率和吸水行为都在神经应用的适用范围内，表明制备的纤维支架具有促进神经轴突再生的潜力。细胞活性评价结果表明，聚氨酯/聚己内酯/明胶/0.01%芬戈莫德组的细胞存活率高于其他对照组，证明负载芬戈莫德的聚氨酯/聚己内酯/明胶支架在促进周围神经再生方面具有良好的潜力。

4. 血管组织工程

人工血管作为可以与内皮细胞和平滑肌细胞结合的血管替代物^[30]，广泛用于常见心血管疾病的临床干预中，如周围血管搭桥、心脏搭桥和慢性肾病的血液透析等^[31]。近些年，国内外科研工作者利用静电纺丝技术在改善机械性能、构建仿生结构和制备多层血管移植物方面做出了大量探索。

为提高血管支架的机械性能，Abdal-hay等^[32]在聚己内酯喷塑管上静电纺丝聚氨酯，然后60 ℃热交联实现了双相管状支架的制备，制备过程如图4所示。结果表明，双相支架的抗拉强度和弹性模量由（4.5 ± 1.72）MPa和（45 ± 15）MPa显著提高至（67.5 ± 2.4）MPa和（1 039 ± 81.8）MPa；缝合保留力、破裂压力和顺应性也均得到改善。MTT法结果表明细胞存活率接近100%，双相管状支架无细胞毒性。静电纺丝联合热交联技术被证明是一种有效的制造技术，可以推广到其他双相静电纺丝支架中。

图 4.

Operating parameters and schematic diagram

操作参数及原理图^[32]

Reprinted with permission from ref. [32] (Abdal-Hay et al. 2018). Copyright 2018 Elsevier

Post等^[33]利用静电纺丝技术开发了一种多层血管移植物，制备过程如图5所示。聚氨酯外层与人体血管具有良好的顺应性匹配度，聚乙二醇水凝胶内层具有良好的抗血栓性和促进内皮化作用；此外，水凝胶通过与N-乙烯基吡咯烷酮共聚合引入牺牲氢键提高了断裂能，可以在缝合过程中抵抗损伤，解决了水凝胶颗粒在缝合时从移植物的水凝胶层中脱落的问题。Zhang等^[34]利用同轴静电纺丝技术制备了一种以聚氨酯为芯、明胶为壳的同轴结构小口径人工血管。采用EDC-NHS体系对同轴纤维血管膜进行了共价交联，交联后人工血管的应力和弹性模量增加，伸长率降低，破裂压力最大可以达到（2 844.55 ± 272.65）mm Hg。同时，在包埋实验中各时间点同轴组血管壁的细胞数量均显著高于非同轴组（P < 0.001），表明制备的人工血管具有良好的血管重构性能。

图 5.

Schematic diagram of multilayer graft preparation

多层接枝制备示意图^[33]

Reprinted with permission from ref. [33] (Post et al. 2018). Copyright 2018 Elsevier

5. 心脏组织工程

心肌梗死是世界范围内患者心力衰竭的主要原因，由于心脏的再生能力非常有限，需要制备具有生物活性的仿生人体组织支架修复心肌的损伤问题^[35]。静电纺聚氨酯纳米纤维虽然具有优异的机械性能和仿生的细胞外基质结构，但在调控活性氧（reactive oxygen species，ROS）浓度和生物电活性方面存在不足，因此，目前研究主要通过结构设计和复合导电物质来改善聚氨酯补片修复心脏的性能。

心肌梗死等疾病的病理进程与组织中过量的ROS密切相关，因此及时有效地消除组织中过量的ROS并抑制炎症微环境对促进组织修复再生具有重要意义。Yao等^[36]以聚己内酯二醇为软段、六亚甲基二异氰酸酯为硬段以及具有ROS可降解性能的扩链剂为原料，合成了一种生物可降解的ROS响应性聚氨酯，并将甲基泼尼松龙溶于聚氨酯溶液中通过静电纺丝加工为纤维补片，合成方案如图6所示。ROS响应性聚氨酯和ROS响应性聚氨酯/甲基泼尼松龙纤维补片均能有效地清除DPPH自由基，表现出良好的抗氧化性能。在心肌梗死后的大鼠体内植入ROS响应性聚氨酯和ROS响应性聚氨酯/甲基泼尼松龙纤维补片，比植入无响应性的聚氨酯纤维补片聚氨酯能够更好地保护心肌细胞，减少心肌细胞在心肌梗死早期（24 h内）的死亡。植入纤维补片28天后，负载甲基泼尼松龙的纤维补片可有效改善心脏功能，包括射血分数升高、梗死面积缩小、梗死区域血管生成等。因此，制备的ROS响应性聚氨酯纤维补片在心肌梗死后的治疗中表现出良好的治疗效果，可以为心肌梗死疾病或其他高浓度ROS类相关疾病的治疗提供新的思路。

图 6.

Synthesis scheme of polyurethane with ROS reaction

含ROS反应的聚氨酯合成方案^[36]

Reprinted with permission from ref. [36] (Yao et al. 2020). Copyright 2020 Elsevier

心脏贴片的电活性有利于改善心肌梗死区功能。Ahmadi等^[37]采用静电纺丝-喷雾联合技术制备了多种随机排列的聚氨酯/壳聚糖/碳纳米管复合纳米纤维支架。结果表明，碳纳米管喷涂在静电纺丝纳米纤维上可以赋予支架电活性，该静电纺丝纳米纤维支架表现出良好的生物相容性，可以有效支持细胞的附着和增殖，表明该支架在心脏贴片领域具有较大的应用潜力。Feng等^[38]利用静电纺丝技术精确制备了聚氨酯/聚苯胺/氧化硅亚微米纤维贴片。聚氨酯具有良好的柔韧性，聚苯胺和氧化硅可以协同改善聚氨酯纺丝纤维的导电性能，通过对材料体系的精确设计，可以得到一种具有良好柔韧性、导电性能和自黏附性的亚微米纤维贴片。持续的供氧对于心脏组织的功能和存活至关重要，Ahmad等^[39]以聚氨酯和胶原蛋白为原料，辅以脂肪来源的干细胞外泌体，通过静电纺丝技术制备了一种能释放氧气的抗氧化纳米纤维双层心脏贴片，双层心脏贴片的制备与评价示意图如图7所示。在体外条件下，心脏贴片以双层静电纺纤维支架、胶原蛋白和外泌体的形式支持细胞生长、存活并促进血管生成；此外，心脏贴片具有生物相容性，不会引起免疫反应。在大鼠心肌梗死模型中，心脏贴片通过改善血管生成和降低氧化应激显著减轻了心肌中的氧化应激和纤维化现象，该释氧抗氧化双层心脏贴片为治疗心肌梗死提供了一种候选治疗方法。

图 7.

Schematic diagram of the preparation and evaluation of heart regeneration double-layer heart patch

心脏再生双层心脏贴片的制备与评价示意图^[39]

Reprinted with permission from ref. [39] (Ahmad et al. 2022). Copyright 2022 Elsevier

6. 结语

静电纺丝作为一种新技术，受到了众多领域研究者的关注，尤其是在组织工程领域。利用静电纺丝技术制备的聚氨酯纤维纺丝支架具有生物相容性好、表面积大、孔隙率高等特点，天然的细胞外基质仿生结构有利于细胞黏附以及营养物质渗入，可用于骨、皮肤、神经、血管和心脏等组织工程领域。然而，静电纺丝技术在制备组织工程支架方面虽然已经取得了一定进展，但目前采用该项技术制备的聚氨酯纤维支架大部分仍处于动物实验阶段，难以应用于临床。静电纺聚氨酯纤维的技术关键在于调控纤维的直径和形貌、溶液的浓度和黏度、静电力与溶液表面张力的平衡以及纺丝过程中的一些参数控制，例如电压、喷丝器与收集器之间的距离、聚合物溶液的进料速度等都会影响纤维的直径和形貌。上述因素会对纤维材料的制备效果产生较大影响，导致在产业化方面可能存在生产效率较低、质量不稳定等缺点。此外，针对不同组织的生物学特征，通过对结构调控和功能化修饰来匹配目标细胞或组织，从而引入纤维支架的特定应用，是静电纺聚氨酯纤维研究的主要发展方向。

重要声明

利益冲突声明：本文全体作者声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：焦恩祥、孙子茹和胥美虹负责撰写论文初稿；张海军负责指导和修改；焦恩祥、吴则、郭恺、刘元标和任桂莹参与修改；刘百超负责审校。

Funding Statement

山东省重点研发计划（重大科技创新工程）（2019JZZY011108）