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反应性静电纺丝法制备内部形貌可控的纳米结构可降解大孔水凝胶支架
2020/1/14 11:54:00 易丝帮

DOI:10.1016/j.actbio.2019.12.038

在细胞友好的工艺条件下制备具有可调形貌的微/纳米结构水凝胶,这将使针对特定生物医学应用的水凝胶支架的合理设计成为可能。本文采用全水单步反应静电纺丝法制备了纳米级和微米级形貌可控的水凝胶网络。酰肼和醛官能化的聚(低聚乙二醇甲基丙烯酸酯)(POEGMA)是由双筒注射器和聚(环氧乙烷)(PEO)作为静电纺丝助剂共纺而成。通过改变PEO和/或POEGMA的浓度和分子量,可以制备出各种形态,从纯纤维到串珠状纤维,再到具有可调珠径的珠网络形态,由于在凝胶结构内形成的动态共价交联键,所有这些在水中均保持整体稳定。通过在纳米级(即凝胶内的交联密度)和微米级(即形成的网络结构)上独立控制凝胶形态,可以调整所得支架的溶胀、降解和力学的速率以及大小,相对于观察到的力学和降解率,其具有非典型的独立性溶胀。此外,证明了网络的内部形态可以系统地改变支架内的细胞反应和从支架释放蛋白质的速率,其中小纤维显示出最佳的细胞增殖,串珠状网络表现出最慢的蛋白质释放动力学和在静电纺丝后保持很高的细胞活性,而串珠状纤维表现出中等的性能。

 

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图1.反应性静电纺丝设置方案,以制备结构化的POEGMA水凝胶支架。


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图2.(A-B)用DIW洗涤(A)之前和之后(E)的7.5wt%POH/POA+2.5wt% 600PEO支架(600PEO2.5PO7.5)的光学图像。(C-H)用DIW洗涤(24小时浸泡)之前(C,E,G)和(D,F,H)之后用不同浓度的聚合物前驱体制备的POH/POA+600PEO的SEM图像。(I-M)使用与水凝胶反应性静电纺丝相同的静电纺丝条件对600PEO(无POH/POA)进行静电纺丝的SEM图像。


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图3.不含POH/POA的电纺 1000PEO(A-D)和含不同1000PEO浓度的POH/POA+1000PEO(E-H)支架的SEM图像。(I-L)用DIW洗涤后,(E-H)中所示的电纺POH/POA+1000PEO支架的(I-L)SEM图像。


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图4.用DIW浸泡(A-C)之前和之后(D-F)的POH/POA浓度为10 wt%的电纺水凝胶的SEM图像。(A,D)POH/POA+600PEO(1 wt%);(B,E)POH/POA+1000PEO(1 wt%);(C,F)POH/POA+1000PEO(0.67 wt%)。


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图5.(A)用600PEG和1000PEG制备的POH/POA+PEO电纺支架在37℃的10 mM PBS中的溶胀。相对于在不同PEO浓度下制备的相应纤维凝胶结构,星号表示未配对t检验中p<0.05。(B-C)用600PEG(B)和1000PEG(C)制备的POH/POA+PEO电纺支架在37℃的1 M HCl中,在加速条件下测得的归一化降解动力学。f、bf和bn代表产生的不同形态:纤维(f),串珠状纤维(bf)或珠状网络(bn)。


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图6.共电纺成具有不同形态的POEGMA支架的3T3成纤维细胞的共聚焦显微镜图像。(A)细胞静电纺丝以将细胞包封在支架中的方案;(B-D)具有不同形态的POH/POA+1000PEO,包括纤维(f)、串珠纤维(bf)和串珠网络(bn)结构。活细胞用钙黄绿素AM(488 nm,绿色)染色,死细胞用溴乙啡锭二聚体(546 nm,红色)染色。3D共焦图像的体积为1302μm×1302μm×355μm。


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图7.模型蛋白卵清蛋白的释放动力学与用7.5 wt%POH/POA制备的1000PEO支架在24天之内的PEO浓度的关系(A);面板(B)仅显示第一天的数据缩放,以更清楚地显示不同形态之间的早期释放动力学差异。 f =光纤,bf =串珠光纤,bn =珠网


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