近期,北京航空航天大学樊瑜波教授和李晓明教授在Advanced Functional Materials上发表研究文章:构建负载姜黄素的PLLA/PCL微纳共轭纤维膜从多个角度协同防止术后粘连。
摘要图:与取向纤维膜相比,负载姜黄素的微纳共轭纤维膜具有显著改善的力学性能,可以从多种机制协同阻止POA,包括作为物理屏障,抑制蛋白质吸附,实现抗炎、抗氧化、抗纤维化和抗菌功能,特别是增强AIFM的“接触引导作用”以抑制成纤维细胞粘附、增殖和分化。
术后粘连(Postoperative adhesion,POA)已成为一个常见但具有挑战性的临床问题。目前,大多数有关防粘连功能的研究主要是通过充当物理屏障或抑制蛋白质吸收来实现。然而,由于各种软组织的生理环境各不相同,影响粘连形成的因素也复杂多样,从单一角度防止不同软组织的 POA 仍然很困难。因此,开发一种能够从多个角度防止粘连的多功能防粘连膜,对不同软组织的防粘连和修复材料具有重要意义。
由于成纤维细胞在 POA 形成过程中起着至关重要的作用,研究人员试图通过抑制成纤维细胞分化为肌成纤维细胞来预防POA。由定向纤维组成的取向纤维膜(anisotropic fibrous membrane,AIFM)已被证明可以通过“接触引导效应 ”有效阻碍成纤维细胞向肌成纤维细胞分化。然而,取向纤维膜在对细胞行为的影响上表现出各向异性的同时,在力学性能上也呈现各向异性。其在与纤维取向方向垂直的方向上由于纤维之间缺乏相互纠缠的作用力,而表现出最为薄弱的力学性能,极易造成纤维膜结构的破坏,使得细胞屏障作用失效,防粘连失败。因此,必须在不影响取向纤维对于细胞行为的影响的同时,又加强取向垂直方向上的力学性能。
取向纤维通过其特殊的表面拓扑形貌对细胞行为施加影响的过程称为“接触引导”效应。大量研究表明,这一效应和纤维的直径息息相关,表现出明显的“尺寸依赖效应”。对于成纤维细胞而言,通常认为亚微米而不是纳米级别的静电纺丝纤维膜才能为其排列和伸长提供有效的引导线索。因此,如果用与纤维轴向偏转的纳米纤维来缠绕微米尺度的取向纤维,有望在保持微米纤维对于细胞行为影响的同时,加强取向垂直方向上的力学性能。而在取向静电纺丝的制备过程中可以发现,纤维取向度随着收集转筒转速的增大而逐渐增高。在同样转筒转速下,纤维直径越大,取向度越高。因此,通过调整纺丝溶液的组成成份和电纺参数,有望在相同的转速和电场下纺出取向程度不一致的微米、纳米混合纤维膜,同时实现结构稳定的细胞屏障和对成纤维细胞的“接触引导效应”。
研究发现,粘连的发生和发展涉及到纤维蛋白的过度沉积、成纤维细胞的过度增殖和细胞外基质的过度沉积、细胞外基质的异常重塑,以及影响整个过程的慢性炎症反应、缺氧引发的氧化应激、细菌感染等等。因此,引入具有抗炎、抗氧化、抗纤维化活性的姜黄素可以实现多功能,进一步防止粘连的发生。
图1。PAPC MCFM的制备与表征。(A) PAPC MCFM结构示意图及SEM图像;(B)表面形貌及特性。PAPC IFM、AIFM和MCFM的a) 扫描电镜图像和接触角,b) 实时共聚焦显微镜图像,c) 粗糙度分布;(C) 接触角和粗糙度的定量分析;(D) 蛋白质吸附能力检测,包括吸附BSA的定量分析和吸附FITC标记BSA的激光共聚焦图像。
图2。 PAPC IFM、AIFM 和 MCFM的力学性能分析。(A) a) 微米纤维取向平行方向上的拉伸曲线;b) AIFM 和 MCFM 在微米纤维取向垂直方向上的拉伸曲线和拉伸后的物理照片;IFM、AIFM 和 MCFM 在微米纤维取向(B)平行方向和(C)垂直方向上拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量。
图3。 成纤维细胞在PAPC IFM、AIFM 和 MCFM表面的粘附、迁移和增殖。(A) a) 扫描电镜图像,b) 细胞铺展面积的定量分析,c) 整合素 β1 和 纽蛋白 表达; (B) 细胞迁移分析,a) 细胞骨架染色荧光显微镜图像,b) 细胞迁移 48h 后在平行和垂直于微米纤维方向的细胞迁移面积定量分析;(C) a) 培养 1、3、5 和 7 天后的细胞 CCK-8 分析,b) 荧光显微镜图像。
图4。成纤维细胞在PAPC IFM、AIFM 和 MCFM表面向肌成纤维细胞的分化。(A) 不同PAPC 纤维膜表面细胞的 α-SMA 表达;(B) COL-Ⅰ 分泌;和 (C) YAP 核定位的激活。a) 表示 YAP 的免疫荧光染色;b) YAP 核定位激活比例的统计分析。
图5。PAPC MCFMs(cur)的体内抗纤维化能力。(A)植入14天后,材料周围组织中波形蛋白的a)免疫组化分析和 b)定量分析;(B)α-SMA 和胶原 I 的a)免疫荧光分析,b)胶原 I 和 c)α-SMA 的定量分析;(C)TGF-β1 的a)免疫组化分析和b)表达的平均面积。
图6。不同 PAPC 纤维膜植入兔硬脑膜下14天后的粘连情况。(A) a) 材料与脑组织粘连情况及切除的材料与粘连组织的直观图;b) HE 和 Masson 染色结果,红色和蓝色虚线分别表示材料与粘附组织的分界线和材料与硬脑膜组织的分界线。★表示材料,★表示附着的脑组织,红色箭头表示血管。(B) 不同组在兔硬脑膜下植入14天后的粘附评分。
图7。不同 PAPC 纤维膜植入大鼠腹腔 14 天后的粘连情况。(A) a) 材料与腹腔内盲肠组织粘连情况以及切除的材料与粘连组织的直观图,黄色圆圈代表粘附部位;b) HE 和 Masson 染色结果,黑色虚线为聚丙烯非生物降解网与纤维膜的分界线,蓝色虚线为纤维膜与粘附组织的分界线,红色虚线为粘附组织与盲肠的分界线,红色箭头代表血管,★表示材料区域,★表示粘附组织,★表示盲肠;(B)植入大鼠腹腔14 天后不同组的粘附评分。
图8。PAPC MCFM(cur)预防POA的机制。MCFM和MCFM(cur)可增强AIFM的“接触引导效应”,通过抑制整合素β1的激活、纽蛋白的表达和粘着斑的形成、以及YAP的核定位激活,抑制成纤维细胞的粘附、增殖以及向肌成纤维细胞的分化。除了这些作用,MCFM(cur)还能从其他方面协同预防 POA,包括作为物理屏障、抑制蛋白质吸附以及实现抗炎、抗氧化、抗纤维化和抗菌功能。
论文第一/通讯作者简介
廖婕(第一作者):北京航空航天大学生物与医学工程学院博士研究生。主要从事硬脑膜修复体及多功能防粘连膜的研发工作。
樊瑜波(通讯作者):北京航空航天大学生物与医学工程学院教授、博士生导师,北京航空航天大学医工交叉创新研究院院长、医学科学与工程学院院长、生物与医学工程学院院长,国家医学攻关产教融合平台(医工结合)主任,北京生物医学工程高精尖创新中心主任,生物力学与力学生物学教育部重点实验室主任。长江学者,杰青,国家自然科学基金创新群体带头人,科技部重点领域创新团队带头人,国务院政府特殊津贴获得者。美国医学生物工程院(AIMBE)、国际医学和生物工程科学院(IAMBE)、国际医学物理与生物医学工程联合会(IUPESM)、国际生物材料科学与工程学会(FBSE) 会士。国务院学位委生物医学工程学科评议组成员。北航生物与医学工程学院创始院长;曾担任中国生物医学工程学会理事长(2008-2015)、世界华人生物工程联合会(WACBE)主席、民政部国家康复辅具研究中心主任、附属康复医院院长(2015.1-2020.7) 等。从事生物医学工程、医疗器械、康复辅具等领域研究。发表SCI论文400余篇(通讯或第一作者)、H因子83、Elsevier生物医学工程高被引学者。授权发明专利200余项,获部省级科技及教学奖励13项。
李晓明(通讯作者):北京航空航天大学生物与医学工程学院教授、博士生导师、北京市科技新星、教育部新世纪优秀人才、霍英东青年教师基金获得者,入选美国斯坦福大学与爱思唯尔数据库发布的“World’s Top 2% Scientists 2023”的“career-long impact”及“single-year impact”名单。主要从事组织修复材料和组织再生工程等相关的教学科研工作,以第一或通讯作者发表SCI论文100余篇,被SCI他引5000余次,其中5篇超过200次,12篇超过100次,9篇被收录为ESI高被引论文;出版中文专著2部、英文专著2部;现任中国生物材料学会智能仿生生物材料分会副主任委员,Tissue Engineering、中国修复重建外科杂志等国内外杂志的编委,International Journal of Polymer Science、Biomimetics等SCI杂志的Lead Guest Editor;Science等杂志的稿件评审人。
原文信息
Liao J, Li XM, Yang HQ, He W, Wang BB, Liu SY, Fan YB. Construction of a Curcumin-Loaded PLLA/PCL Micro-Nano Conjugated Fibrous Membrane to Synergistically Prevent Postoperative Adhesion from Multiple Perspectives. 2024: 2407983. DOI: 10.1002/adfm.202407983
原文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202407983
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