东华大学张耀鹏、姚响∣Regen. Biomat.：丝素电纺支架的纳米图案修饰对干细胞功能的调控
作为一种天然蛋白质，丝素蛋白（SF）凭借其优异的生物相容性和可调的生物降解性，在生物医学领域展现了广泛的应用前景。然而，常用的SF相对缺乏特定的细胞粘附位点和其他生物活性多肽序列，因此SF材料在促进细胞初始粘附、提高细胞增殖能力、引导干细胞特异性谱系分化等生物学功能方面仍有很大的优化空间。尽管基于复合生物活性成分或接枝生物活性分子的策略已被普遍研究，但这些策略面临着工艺和组分复杂、原材料成本高、储存和运输条件苛刻等困难。为了全面平衡所需SF生物材料的生物功能性和成本问题，开发某些有效的表界面改性策略是非常有必要的。虽然已有一些技术能够实现材料的表界面纳米图案化修饰且可获得较好的细胞功能调控效果，如电子束刻蚀和纳米压印等。但这些方法存在成本高昂、生产效率极低等不足。此外，相关策略往往也仅适用于二维材料表面的修饰。因此，开发一种便捷、低成本、适用于多种材料形式且可大规模生产的纳米图案化修饰技术，对于推动SF材料在生物医学领域的应用至关重要。
基于此，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏研究员、姚响副研究员团队以安全无毒的SF水溶液体系制备的SF电纺支架为模型材料，选择具有操作简单、加工速度快、易于大规模生产等优势的空气等离子体刻蚀技术对相应SF支架的“不规则”表面进行有效的纳米图案化修饰和调控。此外，考虑到SF电纺支架在骨缺损修复和再生中的应用潜力，综合评估了不同纳米图案化修饰的SF电纺支架对骨髓间充质干细胞（BMSCs）增殖和成骨分化的调控，同时探讨了其对体内异位成骨能力的影响，如图1所示。探索有效的纳米图案化修饰策略以及相应细胞-材料相互作用规律的揭示无疑将为设计和开发高效的SF基生物材料提供重要参考。近日，相关研究成果以题为“A facile nanopattern modification of silk fibroin electrospun scaffold and corresponding impact on cell proliferation and osteogenesis”发表于Regenerative Biomaterials。论文共同第一作者为东华大学博士生刘晓娇和硕士生欧阳秦君，共同通讯作者为张耀鹏研究员和姚响副研究员。该工作得到了上海市科委国际合作和国家自然科学基金等项目支持。
图1纳米图案化SF电纺支架的制备及其对体外干细胞功能的调控和和体内异位成骨的影响研究示意图
研究表明，空气等离子体刻蚀技术可以在三维SF纤维支架表面产生明显的纳米图案（纳米“岛”）特征，并且纳米图案特征可以通过调整刻蚀时间加以有效调控（图2，其中10E scaffold代表刻蚀10 min的支架，其余以此类推）。从扫描电镜图中可以看出，未经等离子体刻蚀的纤维（NE scaffold）表面光滑平整，而经过等离子体刻蚀的纤维表面呈现明显的纳米“岛”结构。随着刻蚀时间的延长，纤维表面的纳米“岛”之间的距离逐渐增大，且“岛”形状也逐渐由点状转变为不规则的蠕虫状（图2）。此外，纤维支架表面的亲水性也得到显著提高（图3A）。力学测试结果表明支架的拉伸强度和断裂伸长率均随着刻蚀时间的延长而降低，其中10E scaffold仍保有其原始状态约90%的力学性能（图3B-D）。
图3不同刻蚀时间下SF电纺支架的亲水性和力学性能
随后，研究者考察了SF电纺支架的纳米图案化修饰对干细胞行为的影响。研究发现，SF电纺支架的纳米图案化修饰可以显著调控BMSCs的粘附和增殖行为：与NE scaffold相比，适宜时长的空气等离子体刻蚀可以显著提高相应的细胞黏附和增殖，而较长的等离子体刻蚀时间则会产生一定的抑制作用（图4）。其中，由于10E scaffold表面具有适宜的亲水性、粗糙度及纳米“岛”间距等特征，因而体现出最优的促干细胞黏附和增殖能力（图4）。
图4不同刻蚀时间下SF电纺支架上BMSCs的初始黏附和增殖情况
该研究进一步通过RT-PCR技术探索了SF电纺支架的纳米图案化修饰对干细胞成骨分化的影响。与NE scaffold相比，纳米图案化修饰的SF电纺支架更利于干细胞的成骨分化。综合来看，其中10E scaffold促进干细胞成骨分化的能力最强（图5）。
图5不同刻蚀时间下SF电纺支架上BMSCs的成骨特异性基因表达情况
最后，为了验证不同纳米图案化修饰SF电纺支架对体内成骨的影响，研究者采用大鼠背部皮下植入模型评估了不同纳米图案化修饰支架对异位成骨能力的调控。结果表明，各种纳米图案化修饰支架均具有较好的生物相容性，且纳米图案化修饰可显著调控体内血管化。其中，10E scaffold表现出最强的促血管生成能力（图6）。这可能是由于10E scaffold出色的细胞相容性同样能够促进血管内皮细胞的粘附和增殖，从而有助于新生血管的形成。进一步的免疫组化染色和RT-PCR结果综合表明：10E scaffold可显著提升SF支架的体内成骨能力，而过长刻蚀时间的30E scaffold和50E scaffold则对体内成骨能力产生了一定的抑制作用（图7），其核心原因可能与不同SF支架在体内的促血管生成能力差异（图6）密切相关。
图6不同SF支架植入体内14和21天后对应细胞-材料复合体的苏木精&伊红染色结果
图7不同刻蚀时间SF电纺支架的体内异位成骨能力对比情况
综上，空气等离子体刻蚀技术为SF电纺支架的表面改性提供了一种有效、便捷、低成本且易于大规模生产的策略。适当的纳米图案化修饰可显著提高SF支架的细胞相容性和成骨诱导能力。其中，刻蚀10 min的SF电纺支架（10E scaffold）表现出最优的促细胞黏附、增殖和成骨分化诱导能力，且同时保有其原始状态约90%的力学性能，展现了其在骨组织修复领域的巨大应用潜力。相关研究同时也为未来设计和大规模生产高效SF基生物材料提供了重要的参考和借鉴。
原文信息与链接：
Xiaojiao Liu†, Qinjun Ouyang†, Xiang Yao*, Yaopeng Zhang*. A facile nanopattern modification of silk fibroin electrospun scaffold and the corresponding impact on cell proliferation and osteogenesis. Regen. Biomater, 2024, 10.1093/rb/rbae117.
https://academic.oup.com/rb/advance-article/doi/10.1093/rb/rbae117/7801222
