深圳大学刘洲、孟思 Small：细菌纤维素纳米纤丝组装且具有异质结构的组织工程纤维

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近期，深圳大学刘洲研究员、孟思副研究员、孔湉湉教授联合广州中医药大学第四临床医学院，基于细菌纤维素特殊的纳米纤丝结构开发了一种新型的具有异质多孔网络结构的纤维状生物支架材料。这项工作以《Tailoring the Heterogeneous Structure of Macro-Fibers Assembled by Bacterial Cellulose Nanofibrils for Tissue Engineering Scaffolds》为题发表在Small上。

图1. 由细菌纤维素纳米纤维制成的组织工程支架异质结构示意图，其特征是皮层致密，芯层松散。这种独特的设计增强了细胞粘附力，促进了细胞生长。

细胞外基质（ECM）的纳米纤维网络结构在形成和维持细胞和组织的物理结构方面发挥着关键作用，并指导细胞生长、排列和分化。然而，ECM来源少、存在跨物种病毒传播风险、尺寸结构难以设计、机械性能及结构稳定差等问题，限制了其应用。

细菌纤维素纳米纤丝（BCNF）是由一种醋酸菌属、根瘤菌属或土壤杆菌属等微生物分泌而成的纤维状高结晶纤维素，其直径为40-60纳米。BCNF与ECM主要成分胶原纳米纤维有许多相似之处。例如，它们具有相同的自组装潜力，并具有相同的次级束状原纤维结构。BCNF生物相容性优异、可生物降解，并且具有高的持水能力。更重要的是，BCNF富含羟基，可以通过氢键连接并交织形成三维类ECM结构，为细胞生长提供机械优异、抗溶胀和结构复杂的支架。因此，BCNF是胶原纳米纤维的极好替代品，用于制造适用于组织工程和再生医学的生物支架材料。

由于细菌分泌的原始BCNF的宏观形状为膜状，往往不能满足生物支架外形需求，需要进行二次加工。目前BC基生物支架主要的制备策略是使用其溶液或其氧化物氧化细菌纤维素纳米纤丝（oxBCNF）的分散液来进行加工。然而，BC溶液无法保持BCNF独特的纳米纤丝结构，而oxBCNF分散液也会由于加工过程中的轴向剪切效应使得纳米纤丝发生紧密堆积。因此都难以形成类ECM的三维网络多孔结构。将BCNF加工成形状可调控、具有三维网络结构、抗溶胀性且利于细胞生长的类ECM生物支架仍然是一个挑战。

针对此问题，作者结合课题组前期研究，以BC分子的水溶液和oxBCNF的分散体的混合物为纺丝液，使用微流控同轴纺丝装置，并结合低速旋转凝固浴纺丝技术，实现了中空纤维状BC基生物支架的连续制备。低挤出速度和旋转凝固浴削弱了挤出的轴向剪切取向作用，防止了oxBCNF的紧密堆积。溶解的BC分子则可以作为粘合剂稳固oxBCNF松散堆积形成的三维网络。为了改善生物支架的细胞粘附性并进一步提高其机械强度，作者通过溶剂的可控脱除及原位聚合技术，实现生物支架“外密内疏”的异质化结构设计及聚多巴胺的表面沉积，分别制备出致密表面的DS-BC/oxBCNFs水凝胶纤维和DS-PDA@（BC/oxBCNFs）水凝胶纤维。

图2. BC基水凝胶纤维的制备和结构。（a） DS-PDA@（BC/oxBCNFs）水凝胶纤维的制备过程示意图；（b，c）收集成卷的DS-BC/oxBCNFs水凝胶纤维和打结的DS-BC/oxBCNFs水凝胶纤维的光学照片；（d，e）收集成卷的DS-PDA@（BC/oxBCNFs）水凝胶纤维和打结的DS-PDA@(BC/oxBCNFs) 水凝胶纤维的光学照片。

结果表明，经表面致密化的BC基水凝胶纤维的强度、模量及可拉伸性都得到了提升。而同时经过表面致密化及PDA原位沉积处理的DS-PDA@（BC/oxBCNFs）水凝胶纤维表现出明显优于其它BC基水凝胶纤维的细胞粘附性。这主要是因为oxBCNFs较高的表面负电位将阻止同样带负电位的细胞在纤维表面沉积，而过于疏松的表面则会导致细胞与纤维的接触面积过小易脱附。带有正电性氨基基团的PDA的沉积降低了宏观纤维表面负电位，而溶剂的可控脱除使宏观纤维表面致密化，增大了细胞与纤维表面的接触面积。

图3。BC基水凝胶纤维的性能分析。（a） LS-BC/oxBCNFs纤维、DS-BC/oxBCNFs纤维、LS-PDA@（BC/oxBC NFs）纤维和DS-PDA@（BC/OxBC NFS）纤维的力学性能比较；（b） 与BC/oxBCNFs纤维或PDA@（BC/oxBC NFs）纤维共培养的内皮细胞和平滑肌细胞的细胞活性；（c1-c4）与LS-BC/oxBCNFs纤维、DS-BC/oxBCNFs纤维、LS-PDA@（BC/oxBCNFs）纤维和DS-PDA@（BC/oxBCNFs）纤维共培养4天的内皮细胞的粘附、铺展和增殖情况；（c5-c8）与LS-BC/oxBCNFs纤维、DS-BC/oxBCNFs光纤、LS-PDA@（BC/oxBC NFs）纤维或DS-PDA@（BC/oxBCNFs）纤维共培养4天的平滑肌细胞的粘附、铺展和增殖情况。

通过对粘附在纤维DS-PDA@（BC/oxBCNFs）水凝胶纤维表面内皮细胞的CD31和F-肌动蛋白染色荧光图可以看出，内皮细胞可以完全覆盖纤维表面，表现出成熟的内皮化进程。而对纤维表面平滑肌细胞的α-SMA和F-肌动蛋白染色荧光图可以看出，蛋白微丝在细胞质周围形成绳索状排列，这表明平滑肌细胞中蛋白的正常表达。而且，作者还发现平滑肌细胞中的F-肌动蛋白微丝在DS-PDA@（BC/oxBCNFs）水凝胶纤维表面呈现出罕见的螺旋取向分布，这表明平滑肌细胞也是在纤维表面呈螺旋取向分布的。而血管中的平滑肌细胞正是沿着血管周向螺旋取向分布。这样取向分布结构对血管的性能与功能的实现有重要作用，一方面这种结构有利于提高血管的抗张强度，防止血管胀破，另一方面这种结构也是实现血管通过收缩舒张来辅助血液传输这一功能的重要先决条件。因此，这个罕见的特征，并进一步突出了DS-PDA@（BC/oxBCNFs）水凝胶纤维作为血管组织工程支架的潜力。

图4. DS-PDA@（BC/oxBCNFs）纤维上内皮细胞和平滑肌细胞中蛋白质表达的荧光显微镜图像。（a1-a3）内皮细胞的染色的CD31、细胞核和CD31/细胞核的荧光显微镜图像；（b1-b3）内皮细胞的染色的F-肌动蛋白、细胞核和F-肌动蛋白/细胞核的荧光显微镜图像；（c1-c3）平滑肌细胞的染色的α-SMA、细胞核和α-SMA/细胞核的荧光显微镜图像；（d1-d3）平滑肌细胞的染色的F-肌动蛋白、细胞核和F-肌动蛋白/细胞核的荧光显微镜图像。

作者简介：

刘洲，深圳大学化学与环境工程学院特聘研究员、博导。主要从事微流控技术、流体物理、软物质材料等方面的研究，在Nature Communications、Angewandte Chemie、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等研究领域重要期刊上发表论文50余篇。所获荣誉包括日内瓦国际发明展银奖、中国化学学会基础研究二等奖、深圳市优青、深圳市高层次人才计划B类，担任中国化工学会微化工专委会青年委员等职务。

孟思，深圳大学化学与环境工程学院副研究员，深圳市高层次人才。师从东华大学纤维领域知名学者朱美芳院士，主要从事纤维的制备与结构设计、智能可穿戴、生物支架材料等方面的研究，以第一作者及通讯作者在Biomaterials、Nano Research、Small、Small Method等研究领域重要期刊上发表论文10余篇，参与编写纤维领域重要专著两部。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202307603

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