微流控气喷纺丝法大规模制备人造皮肤新成果

皮肤作为人体最大的组织器官,在维持体内环境稳定及抗外界细菌感染方面起着至关重要的作用。据统计我国每年约有数百万的人遭受着不同程度的烧伤,导致每年皮肤创伤修复再生花费高达1万亿元以上的巨额治疗费用。另一方面,皮肤损伤修复尤其是大面积皮肤损伤修是世界性难题。到目前为止,大多数成果集中在小面积创面皮肤的修复。而大面积烧伤甚至肠道暴露修复腹部的研究甚少。由于大面积腹部伤口会暴露肠道,涉及例如易感染、无支架支撑和运送营养物质困难等诸多问题。使皮肤和再生皮肤的愈合成为皮肤修复中最大挑战难题。

针对上述科学问题,南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授与东部战区总医院王革非主任合作,探索出一种利用微流控气喷纺丝法将可降解的蛋白材料制备出新型纳米纤维材料,以此纤维上负载凝血酶,使纤维细胞在此基材上快速生长为再生组织人造皮肤。这一转换过程经历了三个阶段:制备大面积可生物降解的纤维蛋白凝血酶负载纳米纤维支架,皮肤组织的形成和皮肤组织再生。首先,针对传统制备人造皮肤材料存在力学性能差、透气性差、纤维直径粗、比表面积小及难以规模化等问题。首次开发出微流控气喷纺丝方法(微流控气喷纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司出品)制备了超细纳米纤维(65 nm)、超大面积(140×40 cm2)的纤维蛋白原包裹的聚己内酯/丝素(PCL/SF)纳米纤维支架材料。以此构建的高比表面积的纳米纤维支架为基材,通过纤维蛋白原与凝血酶的原位凝胶化反应形成凝胶-纳米纤维支架复合的人造皮肤材料。这种方法构筑的人造皮肤具有空气透过率(164.635 m3/m2.h.kPa)、优异的机械强度(8.45 MPa)和快速的体内降解速率(7个月)。其次,首次通过三个阶段的转换过程系统地研究了高强度人造皮肤的形成机制。实验结果表明人造皮肤促进组织成纤维细胞的增殖和迁移、少量胶原沉积、新生血管形成和规则组织结构的形成,证实了皮肤组织的生成。此外,组织肉芽和毛囊的产生又证实了再生皮肤的成功形成。这种转变过程为制造人造皮肤提供了一个新途径。更重要的是,人造皮肤被成功应用于大鼠腹部大面积皮肤缺损处活体实验中,获得可喜的结果,表明人造皮肤在大面积皮肤医疗修复方面具有很大的优势和临床意义。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Advanced Materials》上。(Large-Scale Fabrication of Robust Artificial Skins from Biodegradable Sealant Loaded Nanofiber Scaffold to Skin Tissue via Microfluidic-Blow-Spinning, Advanced Materials. 2020, DOI: 10.1002/adma.202000982)。南京工业大学博士研究生崔婷婷和东部战区总医院余加飞为第一作者。南京工业大学陈苏与东部战区总医院王革非为共同通讯人。

该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、国家青年自然基金、江苏省高校优势学科建设工程、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。

南工陈苏团队《Adv.Mater.》:微流控气喷纺丝法大规模制备人造皮肤新成果
图1. 微流控气喷纺丝机(南京捷纳思新材料有限公司提供)。

 

南工陈苏团队《Adv.Mater.》:微流控气喷纺丝法大规模制备人造皮肤新成果
图2.纤维蛋白原负载的的PCL/SF纳米纤维支架和纤维蛋白密封剂包裹的纳米纤维支架(SNS)促进皮肤再生的示意图;(a)微流控气喷纺丝技术制备可生物降解的纤维蛋白原包覆的PCL/SF纳米纤维支架的示意图;(b) 腹部皮肤再生的三个阶段:可生物降解SNS的制造,皮肤组织重建和皮肤形成; (c-g)腹壁缺损皮肤构造的示意图(上)和相应的实验结果(下):(c)形成胶原蛋白层的早期保护机制;(d)细胞增殖;(e)新血管的再生;(f)胶原蛋白的形成和沉积;(g)皮肤形成。

 

南工陈苏团队《Adv.Mater.》:微流控气喷纺丝法大规模制备人造皮肤新成果
图3.纳米纤维支架的特征和SNS的形成。(a-c)通过不同纺丝技术制备的纳米纤维的SEM图像和直径分布:(a)MBS,(b)电纺丝,(c)微流体纺丝;(d)通过四种纺丝方法(电纺,SBS,微流体纺丝,MBS)制备的纳米纤维的纤维直径比较;(e)纤维蛋白原包覆的纳米纤维支架的水接触角随时间变化的曲线(上)和图像(下);(f)纤维蛋白原包覆的PCL/SF纳米纤维支架(左)和SNS(右)的数码照片;(g)纳米纤维支架的SEM图像;(h)SNS形成纳米纤维簇的SEM图像(左,中)和SNS的荧光双染色图像(右);(i)凝血酶和PCL/SF纳米纤维表面上的纤维蛋白原之间形成SNS的反应机理以及成纤维细胞的迁移。

 

南工陈苏团队《Adv.Mater.》:微流控气喷纺丝法大规模制备人造皮肤新成果
图4. SNS的应用。(a)早期保护和组织再生的示意图;(b)两组SNS和PP网孔中的新生组织和裸露的肠道的梅森染色(红色边框表示受伤区域,黑色边框表示SNS或PP网状覆盖区域);(c)SNS组(上)和PP网状组(下)中的裸露肠道(红色边框表示SNS或PP网状覆盖区域);(d)SNS和(e)PP网处理的腹壁缺损的H&E染色和Sirius红染色:新生血管(红色箭头标记)(左);新生组织(中)和胶原(右)中的新组织结构。腹壁缺损的再生组织中的(f)IL-6和(g)TNF-α的免疫荧光染色分别植入了人工皮肤和PP网。比例尺:100 µm。

 

相关文章

微信