豇豆狀雙譜系納米纖維墊用于修復慢性肩袖撕裂和抑制脂肪浸潤

DOI:10.1016/j.cej.2019.123671

慢性肩袖損傷的修復主要依靠外科手術從生物力學上加強肌腱與骨的連接。有許多關于肌腱-骨愈合促進肌腱骨再生或膠原重建的研究。然而，慢性肩袖損傷常與脂肪內濾有關，很少有研究考慮到這一方面，更不用說同時克服骨愈合和脂肪內濾的兩大挑戰了。在這里，受豇豆（Vigna unguiculata）結構的啟發，我們開發了含鋰介孔二氧化硅與電紡PEUU納米纖維（Li⁺@MSNs/PEUU）相結合，可以緩慢釋放鋰離子，抑制肩袖脂肪內濾，在手術修復的基礎上促進骨再生，以增強肌腱到骨的愈合。通過體外實驗，我們研究了鋰離子的雙向作用機制，發現其與Wnt途徑密切相關。在體內，該系統對大鼠慢性肩袖損傷模型的治療取得了顯著的成功。組織學和micro-CT結果證實，Li⁺@MSNs/PEUU納米纖維氈組8周后的愈合情況優于其他對照組。總之，本研究表明含鋰介孔二氧化硅結合電紡納米纖維氈對脂肪內濾促進肩袖損傷術后愈合具有長期療效，且兩個譜系的調節僅用單一介質即可實現，具有良好的應用潛力。

圖1.通過靜電相互作用，物理吸收和電紡絲制造豇豆狀雙譜系納米纖維的示意圖；及其在脂肪浸潤修復慢性肩袖撕裂中的應用。

圖2.PEUU納米纖維墊（a）和（d），Li⁺/PEUU納米纖維墊（b）和（e）以及Li⁺@ MSNs/PEUU納米纖維墊（c）的SEM圖像，水接觸角和直徑分布直方圖（c）和（f），（c）中的白色箭頭表示MSNs的線狀分布。

圖3.（a）MSNs-COOH，（b）Li⁺@MSNs，（c）Li⁺/PEUU和（d）Li⁺@MSNs/PEUU的TEM圖像；（e）FTIR光譜；（f）Li⁺/PEUU納米纖維墊和Li⁺@MSNs/PEUU納米纖維墊在LiCl質量相近時Li⁺的體外釋放曲線。

圖4.在干燥條件下，PEUU納米纖維氈，Li⁺/PEUU納米纖維氈和Li⁺ @ MSNs/PEUU納米纖維氈的力學特性：（a）代表應力-應變曲線；（b）楊氏模量；（c）拉伸強度；（d）斷裂伸長率。（^**p <0.01 與PEUU相比；^***p <0.001與PEUU相比；^##p <0.01 與Li⁺/PEUU相比；^###p <0.001 與Li⁺/PEUU相比；每組n=5）。

圖5.（a）活/死染色結果的活細胞計數；（b）蓋玻片，PEUU納米纖維墊，Li⁺/PEUU納米纖維墊和Li⁺@MSNs/PEUU納米纖維墊對CCK-8檢測的MC-3T3-E1細胞的細胞毒性；（c）分別在蓋玻片，PEUU納米纖維墊，Li⁺/PEUU納米纖維墊和Li⁺@MSNs/PEUU納米纖維墊上培養的第1、3和5天的死（紅色）和活（綠色）MC-3T3-E1細胞的熒光圖像。（^**P <0.01；^***P <0.001；^#P <0.05 與（b）中的Li⁺/PEUU相比；n=3；NS=無顯著性。）（用于解釋此圖例中對顏色的引用，請參閱本文的網絡版本。）

圖6.培養3天后，在蓋玻片、PEUU納米纖維墊、Li⁺/PEUU納米纖維墊和Li⁺@MSNs/PEUU納米纖維墊上培養的MC-3T3-E1細胞，細胞骨架（紅色）和細胞核（藍色）染色的熒光顯微鏡圖像，（要解釋該圖例中對顏色的引用，請參閱本文的網絡版本。）

圖7.成脂誘導后3T3-L1細胞的油紅染色（a）無Li⁺，和（b）有Li⁺；（c）油紅染色的吸光度指數（510 nm）；（d）不含Li⁺的成骨誘導后MC-3T3-E1細胞的茜素紅染色，和（e）含Li⁺的茜素紅染色；（f）茜素紅染色的吸光度指數（510nm）。 C-對照組（無Li⁺），E-實驗組（有Li⁺）。（^**P <0.01 與對照組相比；^***P <0.001 與對照組相比，n=3）。（要解釋該圖例中對顏色的引用，請參閱本文的網絡版本。）

圖8.Li⁺離子對體外成骨相關和成脂相關基因表達的影響：（a）RUNX2 mRNA RT-qPCR；（b）用于OCN mRNA的RT-qPCR；（c）用于PPARγmRNA的RT-qPCR；（d）用于FABP4 mRNA的RT-qPCR；（e）成骨誘導MC-3T3-E1后β-鏈蛋白和Wnt5a的蛋白質印跡分析；（f）成脂誘導3 T3-L1后，β-鏈蛋白和Gsk3β的蛋白質印跡分析。（C-對照組（無Li⁺），E-實驗組（有Li⁺）。^*P <0.05，^**P <0.01 與對照組相比，n=3）。

圖9.Li⁺離子對體外成骨相關和脂肪形成相關蛋白表達的影響：（a）成骨誘導MC-3T3-E1后β-鏈蛋白和Wnt5a的蛋白質印跡分析，以及（b），（c）是半定量分析結果； （d）成脂誘導3T3-L1后β-鏈蛋白和Gsk3β的Western印跡分析，結果為（d），（e）。（C-對照組（無Li⁺），E-實驗組（有Li⁺）。^*P <0.05，^**P <0.01 與對照組相比，n=3）。

圖10.（a）油紅染色率結果；（b）健康的肩袖無脂肪浸潤；（c）油紅染色結果顯示無墊子或有PEUU納米纖維墊、Li⁺/PEUU納米纖維墊或Li⁺@MSNs/PEUU納米纖維墊的修復效果，分別為2、4和8周。（^**p <0.01，^***p <0.001 與簡單修復相比； ^##p <0.01，^###p <0.001 與PEUU相比；^△△p <0.01 與Li⁺/PEUU相比；每組n=4）。（要解釋該圖例中對顏色的引用，請參閱本文的網絡版本。）

圖11.天狼猩紅染色分別顯示了無墊、有PEUU納米纖維墊、Li⁺/PEUU納米纖維墊或Li⁺@MSNs/PEUU納米纖維墊的修復效果，分別持續了2、4和8周。（要解釋該圖例中對顏色的引用，請參閱本文的網絡版本。）

圖12. Micro-CT圖像分別顯示了無墊、有PEUU納米纖維墊、Li⁺/PEUU納米纖維墊或Li⁺@MSNs/PEUU納米纖維墊的修復效果，分別持續了2、4和8周。 （^*p <0.05，^**p <0.01，^***p <0.001 與簡單修復相比；^#p <0.05，^##p <0.01，^###p <0.001 與PEUU相比；^△p <0.05，^△△p <0.01 與Li⁺/PEUU相比；每組n=4）。

圖13.分別在移植后2、4和8周，無墊或無PEUU納米纖維墊，Li⁺/PEUU納米纖維墊或Li⁺@MSNs/PEUU納米纖維墊的肩袖修復的力學性能。（a）愈合交界處的橫截面積；（b）極限破壞負荷；（c）剛度；（d）岡上肌腱對肱骨復合體的應力。（^*p <0.05，^**p <0.01，^***p <0.001 與簡單修復相比；^#p <0.05，^##p <0.01，^###p <0.001 與PEUU相比；^△p <0.05，^△△p <0.01 與Li⁺/PEUU相比；每組n=8）。