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    具有改善的生物降解性、抗菌活性和血管生成的仿生SIS基生物復合材料用于腹壁修復

    2019-12-31   易絲幫

    DOI:10.1016/j.msec.2019.110538

    小腸黏膜下層(SIS)是一種被廣泛關注的用于重建組織缺損的脫細胞材料,但是在腹壁修復過程中,由于快速降解導致長期機械性能差,細菌污染引起的感染以及術后新血管形成不足,其應用已受到限制。在這項研究中,研究者開發了一種基于仿生SIS的生物復合材料(CS/ES-SIS),用于修復腹壁,其中使用殼聚糖(CS)和彈性蛋白(ES)電紡納米纖維來改善生物降解能力、抗菌活性和血管生成。通過一系列測試實驗對CS/ES-SIS復合材料進行了檢查,尤其是通過恒定的變形加載裝置評估了體外降解,并通過納米壓痕測定了在生物力學環境下酶降解過程中的微力學性能。還研究了體外抗菌測試和細胞相容性,以及體內生物相容性、新血管形成和組織再生。主要研究結果如下:(1)在生物力學環境下酶降解7天后,CS/ES-SIS復合材料的降解速率比SIS慢了約24.5%。此外,與SIS相比,CS/ES-SIS復合材料可以更好地保持微觀結構和微機械性能的穩定性。(2)CS/ES-SIS復合材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別為98.87%和98.26%,而SIS沒有明顯的抗菌能力。(3)CS/ES-SIS復合材料支持成纖維細胞L929的存活和增殖。體內研究表明,CS/ES-SIS復合材料在植入后可促進組織再生,而不會發生嚴重的炎癥反應。另外,在4周時,CS/ES-SIS復合材料的血管數目是SIS的1.69倍。綜上所述,新開發的CS/ES-SIS復合材料有望成為腹壁修復應用中的有前途的候選材料。

     

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    圖1.(a)恒定變形加載裝置的示意圖。該裝置由1.氣缸組成,2.安裝平臺,2-1.圓柱孔,2-2.第一環形槽,2-3.第二環形槽,3.O型圈,4.曲面軸,5.緊固件,6.U型槽,7.倒U形槽,8.插槽。(b)使用O型圈和緊固件將樣品固定在曲面軸頂部的示意圖。


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    圖2.具有不同CS含量的電紡CS/ES納米纖維的SEM圖像。(a)100%CS/ES;(b)90%的CS/ES;(c)80%的CS/ES;(d)70%的CS/ES(CS/ES=100/0、90/10、80/20、70/30,w/w)。


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    圖3.CS/ES-SIS復合材料制備的示意圖(a);SIS和CS/ES-SIS復合材料的宏觀外觀,比例尺:1 cm;CS/ES-SIS復合材料上表面(c)和下表面(d)的SEM圖像;SIS(e)和CS/ES-SIS復合材料(f)的橫截面SEM圖像。復合材料中的CS/ES電紡纖維用紅色箭頭指示。(要解釋該圖例中對顏色的引用,請參閱本文的網絡版本。)


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    圖4.a)不同支架的水接觸角和b)膨脹性能。不同支架的力學性能:c)應力-應變曲線,d)抗拉強度和e)斷裂伸長率。*p<0.05,**p<0.01,**p<0.001。


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    圖5.SIS(a)和CS/ES-SIS復合材料(b)在無生物力學負荷下的體外降解;SIS(c)和CS/ES-SIS復合材料(d)在生物力學環境下的體外降解。*p<0.05,**p<0.01。


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    圖6.在沒有生物力學負荷的情況下,SIS(a-d)和CS/ES-SIS復合材料(e-h)在不同降解時間下的SEM圖像(第一部分);在生物力學環境下,SIS(i-iv)和CS/ES-SIS復合材料(v-vii)在不同降解時間下的SEM圖像(第二部分)。


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    圖7.I)SIS(a)、CS-SIS(b)和CS/ES-SIS復合材料(c)對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性。II)附著在SIS、CS-SIS和CS/ES-SIS復合材料上的(a-c)大腸桿菌和(d-f)金黃色葡萄球菌的SEM圖像。III)(a)大腸桿菌和(b)金黃色葡萄球菌對浮游細菌(Rp)的抗菌率。***p<0.001。


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    圖8.細胞在不同支架上的擴散和附著結果:空白對照(a)、SIS(b)、CS/ES-SIS復合材料(c)。成纖維細胞L929在不同支架上的細胞活性研究(d)。*p<0.05,**p<0.01。


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    圖9.修復腹壁缺損的手術過程:a)創建雙邊腹外側部分厚度腹壁缺損;b)將SIS(左)和CS/ES-SIS復合材料(右)植入缺損部位,并c)用PGA縫合線固定(比例=1 cm)。植入2周時植入的d)SIS和e)CS/ES-SIS復合材料的宏觀圖像,以及植入4周時植入的f)SIS和g)CS/ES-SIS復合材料的宏觀圖像(比例尺=0.5 cm)。


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    圖10.a)與SIS支架相比,植入CS/ES-SIS復合材料后2周和4周的H&E和b)Masson三色染色。黃色虛線表示宿主組織和植入物的界面。標有黃色星星的電場代表植入物。(比例尺=50μm)。(要解釋該圖例中對顏色的引用,請參閱本文的網絡版本。)


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    圖11.a)植入后2周和4周SIS和CS/ES-SIS的免疫組化CD31染色。黑色箭頭表示CD31陽性。b) 2周和4周時CD31陽性血管密度。(比例尺=50μm)。*p<0.05,**p<0.01。


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    圖12.a)植入后2周和4周SIS和CS/ES-SIS的免疫組化CD68染色。b)2周和4周時CD68陽性巨噬細胞的定量分析。(比例尺=50μm)。*p<0.05,**p<0.01。


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