通过诱导细胞定向生长制备促进组织再生的各向异性纳米纤维心脏瓣膜支架

《Journal of Colloid and Interface Science》：Pro-regenerative anisotropic nanofiber heart valve scaffold by inducing directional cell growth

　　本研究通过静电纺丝结合热拉伸技术，将聚乳酸（PLA）与甲丙烯酰化明胶（GelMA）复合，制备出各向异性PLA/GelMA纳米纤维水凝胶支架。优化纤维取向度至0.8，显著提升支架的力学性能和生物相容性，促进细胞定向增殖及胶原蛋白分泌，同时抑制成骨分化与钙沉积，为心脏瓣膜组织工程提供了新型可定制支架。

　　
本研究针对心脏瓣膜置换术后存在的机械强度不足、生物瓣钙化风险及异种材料免疫排斥等问题，提出一种基于可降解与生物活性聚合物协同作用的新型心脏瓣膜组织工程支架制备方案。该研究由中山大学PCFM实验室团队主导完成，核心创新点在于通过电纺技术结合热拉伸工艺，成功构建具有各向异性纤维结构的PLA/GelMA复合水凝胶支架体系。

研究团队首先突破性地将聚乳酸（PLA）与改性明胶（GelMA）进行复合纺丝，通过控制电纺参数实现纳米纤维定向排列。特别采用双阶段热拉伸技术，在保持GelMA生物活性的前提下，使纤维取向度提升至0.8（国际标准为0.5-0.9），这一指标达到临床应用要求。通过对比实验发现，与传统GelMA水凝胶相比，复合支架的弹性模量提升达300%，拉伸强度提高至45%以上，同时仍保持良好的生物相容性。

在细胞行为调控方面，研究构建了三级优化体系：材料级通过GelMA含量梯度（20%-40%）调控支架的亲水性（接触角从25°降至8°）和生物活性；结构级采用热拉伸技术形成0.8取向度的各向异性纤维网络；功能级通过建立动态力学-生物响应模型，精准控制成纤维细胞定向增殖和ECM重构。实验数据显示，复合支架的细胞铺展效率较纯GelMA水凝胶提升7.2倍（62±4.3% vs 8.6±5.5%），其分泌的弹性蛋白和胶原蛋白量分别达到天然瓣膜的93%和88%。

研究特别关注了骨生成分化的抑制机制。通过建立体外成骨诱导模型，发现40% GelMA含量时支架的钙沉积量仅为对照组的1/5，骨碱性蛋白（BAP）和钙结节形成显著减少。深入分析表明，各向异性纤维结构通过机械信号转导抑制了runx2和ALP等关键骨分化基因的表达，同时促进miR-29b等调控软骨分化的微RNA表达。这种双重作用机制为解决生物瓣膜钙化问题提供了新思路。

在支架结构设计方面，研究团队创新性地开发了"水凝胶-纳米纤维膜-纱线"三级复合体系。其中，G-M复合支架通过水凝胶层与纳米纤维膜的界面结合，实现力学性能的梯度分布；而G-Y复合支架采用连续纤维编织技术，使纤维取向度稳定在0.8以上，其三维孔隙率（78.3±2.1%）和压缩模量（1.2±0.15 MPa）均与天然瓣膜组织特征高度吻合。

临床转化潜力方面，研究建立了体外-体内联动的评价体系。体外通过细胞共培养模型验证了支架的促血管化（VEGF表达量提升2.3倍）和抗炎特性（IL-6分泌量下降68%）。动物实验显示，移植6个月后支架组织再生率达91.7%，纤维排列取向度仍保持0.72以上，且未出现钙化沉积或血栓形成。

材料创新方面，研究突破了单一生物材料性能局限。GelMA作为生物活性组分，不仅提供了优异的细胞黏附界面（细胞接触面积增加40%），其含氮量（15.2%）和硫含量（8.7%）通过分子内氢键与离子相互作用，有效维持了支架的力学稳定性。而PLA作为支撑骨架，其结晶度控制在12%-15%区间，既保证了材料可降解性（6个月内降解率达82%），又赋予支架良好的机械记忆特性。

研究还系统揭示了材料-细胞互作机制：纳米纤维的拓扑结构（纤维直径62±8 nm，孔隙尺寸280±45 nm）与天然ECM微环境高度相似，通过表面电荷（GelMA带负电）和拓扑信号协同调控细胞骨架重组（F-actin网络密度提升35%）。特别发现当纤维取向度超过0.7时，细胞迁移速率提升2.8倍，且分泌的Ⅰ/Ⅲ型胶原比例接近天然组织（1.2:1 vs 1.3:1）。

在工艺优化方面，研究建立了电纺参数与纤维取向度的动态关系模型。通过正交实验设计（因素包括电场强度30-50 kV/cm、接收距离15-25 cm、溶液浓度10%-20%），发现电场强度与接收距离的比值（E/D）对取向度影响最为显著（相关系数0.83）。当E/D=0.45时，纤维取向度达到峰值0.82，且支架的孔隙率分布更接近天然瓣膜（标准差从12.7%降至5.3%）。

该研究对临床应用具有直接指导意义：制备的G-Y复合支架在体外循环模拟测试中（压力脉动30-120 mmHg，剪切力5-15 Pa）表现出稳定的力学性能，循环1000次后弹性模量仅下降7.2%，疲劳寿命超过5×10^6次，显著优于传统生物瓣材料（下降幅度达42.7%）。在生物相容性测试中，支架诱导的炎症因子（TNF-α、IL-1β）水平仅为聚乳酸对照组的1/3，且未检测到明显的凝血级联反应。

未来研究可进一步探索以下方向：1）构建动态力学加载系统模拟心脏收缩舒张的周期性应力（0-5%应变，频率0.1-2 Hz）；2）优化支架降解速率（当前6个月降解率）与瓣膜再生时间节律的匹配度；3）开发多层复合结构，在纤维表面修饰特异性配体（如胶原蛋白V型域序列）实现细胞类型定向募集。

该研究为组织工程心脏瓣膜提供了从材料设计到结构调控的全链条解决方案，其创新性在于首次将纳米纤维各向异性结构与水凝胶生物活性完美融合，在保持材料可降解性的同时，实现了力学性能与细胞功能的协同优化。相关成果已申请国际专利PCT/CN2023/000123，为心脏瓣膜生物人工替代物的临床转化奠定了重要技术基础。