从水凝胶到组织工程的“丝绸之路”——水凝胶“纤维”研究集锦

纤维是指具有一定柔性和强度的高长径比材料。其中微米和纳米尺度的纤维状微结构材料在自然界也是十分常见的，比如日常生活中的棉、麻、毛发和植物叶片上的叶脉等，这些纤维状材料通过编织、缠绕、折叠等方法可用于构建各种三维结构的功能性物质。受此启发，人们致力于合成结构和形貌多样性的纤维状微结构材料，并广泛用于催化、控制释放、环境保护、可穿戴设备和组织工程等方面。

在生物医学领域，天然的细胞外基质是由各种蛋白纤维原和纤维交织而成的网状结构。近年来。由微米或纳米水凝胶纤维堆积得到的多孔结构，不仅具有高孔隙率、高表面积、易于组合成不同形状的三维结构，还可以从尺度和形态上仿生模拟天然细胞外基质的胶原纤维网络结构，这使微纳米纤维支架成为组织工程支架的理想选择之一。

目前，很多方法如微流控、大分子组装、电纺丝、湿法纺丝等被提出用来连续制备微米或纳米纤维材料。从方法建立到应用，相关研究层出不穷，为方便大家进行相关内容的学习，EFL整理了生物医学领域的水凝胶微纳米纤维代表综述（3篇）及2022年来最新研究进展（7篇），供大家参考。

一、代表综述回顾

1. Advanced Healthcare Materials：用于设计和组装具有组织工程与再生医学应用的微纤维和纳米纤维的微流体策略；2014.05.24

简介：基于微流控纤维制造可对纤维形状、尺寸、化学各向异性和生物活性进行精细控制，已成为一种非常有前途的微米和纳米级聚合物纤维合成策略。该综述总结了用于制造微米级和纳米级纤维的前沿微流控方法，并展示了不同方法在生物医学中的应用。从微流体器件原理的角度解释了微流体制造方法和所得材料，包括同流、交叉流和流动成形设计；详细介绍了微通道设计和流量参数在化学合成中的影响。讨论了生物材料和微流体策略的整合，以制造独特的基于纤维的系统，包括细胞支架、细胞负载和编织组织基质等。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.201400144

2. Nature Reviews Materials：人造仿生纤维状水凝胶的设计与应用；2019.01.08

简介：许多细胞外基质（ECM）具有丝状结构，影响细胞生长和表型，并赋予组织特定特性。人工纤维水凝胶可以作为仿生材料来复制细胞外基质的丝状性质和特性，并作为三维细胞培养和组织工程的支架。已经开发出不同类型的合成纳米纤维水凝胶，具有不同的组装机制和各种物理性质和应用。在这篇综述中 ,作者探讨了仿生人工纳米纤维水凝胶的设计和性能。讨论了多肽、嵌段共聚物蠕虫状胶束和丝状纳米颗粒组装成纤维状水凝胶，并研究了结构与物理和生化性质之间的关系。最后展望了三维细胞培养和组织工程的潜在应用，并比较了天然和人造纤维水凝胶的性质和结构。

原文链接：

https://www.x-mol.com/paper/954392?adv

3. Macromolecular Bioscience：微纤维作为创建3D细胞培养物的生理相关平台；2017.11.17

简介：微纤维因其有望创建灵活且高度相关的组织模型以用于生物医学应用（例如 3D 细胞培养、组织建模和临床治疗）而备受关注。生成的组织或植入材料应在结构和机械特性以及细胞粘附、分化和生长速率方面模仿天然微环境。因此，纤维的机械和生物学特性很重要。本文简要介绍了常见的纤维制造方法，提供了用于生物医学应用的聚合物的示例，然后综述了用不同方法修改纤维的力学和生物特性，以创建一个高度控制的细胞培养微环境。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mabi.201700279

二、最新研究进展

4. Biomaterials：用于功能性各向异性骨骼肌再生的可注射远程磁性纳米纤维/水凝胶多尺度支架；2022.4.25

简介：开发具有精确地形线索的可注射各向异性支架以诱导 3D 细胞组织在体内体积肌肉损失 (VML) 修复中起着关键作用。本文通过同轴静电纺丝-循环切割方法制备了高产率的单分散远程磁控短纳米纤维（MSNFs）。进一步设计了一种基于光固化水凝胶中的 MSNF 的可注射各向异性 MSNF/凝胶纳米纤维/水凝胶支架，显示出通过远程磁场精确控制微结构来引导 3D 细胞排列和组织的能力。由此生成的各向异性支架增强了体内对齐的肌纤维形成，改善了动物 VML 模型中受伤肌肉的功能恢复。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961222001776

5. NPG Asia Materials：基于神经干细胞细胞外基质修饰的GelMA水凝胶纤维支架用于脊髓损伤修复；2022.03.04

简介：细胞衍生的细胞外基质 (ECM) 因其多种生物学功能已被应用于脊髓损伤 (SCI) 再生。然而，力学性能不足限制了其广泛应用。本文报道了一种通过静电纺丝制备的GelMA/ECM 水凝胶纤维支架（GelMA/ECM）。实验中，GelMA/ECM 支架通过增强 MAP-2 和 Tuj-1 的表达及M1 表型巨噬细胞的比例降低，有利于脊髓损伤修复。在体内，GelMA/ECM 支架在损伤部位募集神经干细胞，促进神经元再生，减少胶质瘢痕的形成和炎症反应，进一步显着改善脊髓损伤的功能恢复，在再生医学中显示出优异的潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41427-022-00368-6

6. Advanced Functional Materials：具有大孔结构的智能微纤维水凝胶用于连续促进关节软骨的多阶段再生；2022.02.25

简介：水凝胶广泛用于关节软骨再生，然而具有纳米级孔隙的传统水凝胶会导致细胞和组织浸润不良。此外，非常需要能够刺激软骨再生的各个阶段以增强软骨修复的水凝胶。基于此，本文将海藻酸钠 (SA) 和透明质酸 (HA) 溶液混合交联成 SA/HA 微纤维 (µ- 纤维)，在此基础上将 µ- 纤维交联成水凝胶块来制造大孔水凝胶。获得的大孔水凝胶可以显著改善组织对水凝胶的浸润，将其用于递送 LPS/BG-exo和KGN，可以增强软骨缺损模型中的大鼠软骨再生。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202113380

7. Small：共电纺丝素蛋白和明胶甲基丙烯酰片接种间充质干细胞用于肌腱再生；2022.04.29

简介：丝素蛋白（SF）是一种很有前途的肌腱修复生物材料，但其相对刚性的机械性能和低细胞亲和力限制了其在再生医学中的应用。同时，基于明胶的聚合物在细胞附着和组织重塑方面具有优势，但其机械强度不足以再生肌腱等坚韧组织。在本研究中，甲基丙烯酰明胶 (GelMA) 与 SF 结合以创建机械强度高且具有生物活性的纳米纤维支架 (SG)。与 SF 纳米纤维相比，接种在具有最佳组成 (SG7) 的 SG 纤维上的间充质干细胞 (MSCs) 表现出增强的生长、增殖、血管内皮生长因子产生和肌腱基因表达行为，有助于改善肌腱再生治疗效果。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202107714

8. Bio-Design and Manufacturing：基于液滴的生物打印可制造细胞-水凝胶-微纤维复合组织前体；2022.04.04

简介：将水凝胶与基于纤维的支架相结合的策略可以创建具有增强的生物和结构功能的组织结构，本文使用称为反应射流冲击 (ReJI) 的基于液滴的生物打印系统将载有细胞的水凝胶与微纤维网集成在一起。该系统使用微阀连接到不同的生物墨水储存器，并引导在半空中连续喷射生物墨水液滴，液滴反应并形成落在微纤维网上的水凝胶。研究结果表明，制备的细胞-水凝胶-微纤维复合材料保持高细胞活力并促进细胞-细胞和细胞-生物材料相互作用。较低的成纤维细胞密度会触发细胞增殖，而较高的成纤维细胞密度有助于更快的细胞组织和渗透到微纤维中。此外，复合材料的纤维成分具有高溶胀性和钙离子快速释放的特点，提供了一种有效的方法来创建用于层状组织工程的高功能组织前体，特别是用于伤口愈合和皮肤组织工程应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s42242-022-00192-5

9. International Journal of Biological Macromolecules：用于骨组织工程的具有纳米磷灰石涂层的3D打印浓缩海藻酸盐/GelMA中空纤维填充支架；2022.01.19

简介：骨组织工程需要采用从纳米到宏观尺度的具有层次仿生特征和高孔隙率的三维支架。在本研究中，基于高浓度海藻酸盐/GelMA生物墨水，在温和条件下通过同轴3d打印制备了具有宏观孔隙和空心通道特征的支架。纳米磷灰石在中空纤维支架的内外表面均被均匀地涂覆。蛋白质直接装入生物墨水中，在支架中实现28天的持续释放。体外细胞实验表明，该支架生物相容性较好，能够支持细胞的粘附和增殖。体内研究表明，具有仿生纳米磷灰石涂层的中空纤维支架在植入12周后具有增强骨形成的能力。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141813022001118

10. ACS Biomaterials Science & Engineering：全水相一步制备用于组织工程的丝素-聚（环氧乙烷）纤维;2022.03.08

简介：丝素纤维以其优良的生物相容性和可调谐性在组织工程中备受重视。克服在加工和形成过程中使用对环境有害的细胞毒性有机溶剂仍然是一项挑战。本研究通过加压回转（PG），将水性 SF 与聚（环氧乙烷） (PEO)分别以 80:20和 90:10的比例混合，在PG辅助下纺丝成纤维。通过SaOS-2和hFob细胞评价该水基溶剂制备的SF-PEO纤维，两种细胞大量增殖，且保持较高的活力，展现了该方法极好的生物相容性。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsbiomaterials.1c01555