原位生物轉化催化乳酸廢料生成乳酸鈣用于骨組織工程

DOI: 10.1021/acsami.9b19997

三維仿生纖維結構為組織工程支架提供了有價值的仿生功能和性能。尤其是，電紡纖維網作為一種支架材料在各種組織再生方面得到了廣泛的研究。在本文中，研究者利用新型乳酸輔助三維靜電紡絲技術，制備了低密度三維聚己內酯/乳酸纖維網（3D-PCLS）。在本研究中，提出了一種循環利用乳酸（LA）組分原位合成骨誘導生物分子乳酸鈣（CaL）的策略，從而形成用于骨組織工程的三維生物活性PCL/CaL纖維支架（3D-SCaL）。通過改變紡絲液和收集器的設計，可以對三維PCLS的纖維形態和填充密度進行調整。3D-SCaL顯示了CaL由LA的成功轉化，并且顯示了MC3T3-e1和BMSC兩種不同細胞系的體外生物礦化能力、細胞浸潤和增殖率以及成骨分化的顯著增強。綜上所述，3D-SCaL被證明是一種非常實用且易用的策略，可使用多種聚合物來生產3D纖維，從而作為未來再生醫學和組織工程應用的潛在候選材料。

圖1.3D-SCaL纖維支架的制備示意圖，展示了LA輔助三維靜電紡絲和原位合成CaL生物分子到纖維上的轉化過程。

圖2.不同樣品的數字圖像和相應的SEM圖像A.（a）2D平面網格（原始PCL），（b）3D-PCLS-10，（c）3D-PCLS-15和（d）3D- PCLS-20；B.根據LA比率的3D-PCLSs的孔隙率；C.每種靜電紡絲溶液（PCL，PCL/LA-5，PCL/LA-10，PCL/LA-15，PCL/LA-20，PCL/LA-25和PCL/LA-30）的粘度和電導率。

圖3.3D-PCLS形成中電場的計算機模擬。A.LA輔助3D靜電紡絲裝置的通用計算機模擬；B.3D-PCLS的形成機理：（a）PMCC，（b）與PMCC相鄰的不規則電場，（c）針尖之間的初始纖維形成，（d）正電荷的積累，（e）沉積纖維的復極化，以及（f）3D-PCLS鏈之間產生的排斥力。

圖4.A.（a）3D-PCLS-20的數字圖像和相應的SEM圖像，顯示連續不斷的棉球狀結構，具有擴大的孔和相互連接的纖維，（b）3D-SCaL顯示的3D結構，其3D結構略有減少纖維直徑；B.（a）EDX分析（紅色：碳，橄欖綠：氧，藍色：鈣，天藍色：氯，洋紅色：鈉），（b）鈣成分的EDX繪圖；C.（a）3D-PCLS-20（紅色箭頭：增加透明度的LA的直徑），以及（b）3D-SCaL的TEM圖像； D.3D-PCLS-20和3D-SCaL的LA層的比例直徑。

圖5.A.（a）LA、（b）原始PCL纖維、（c）3D-PCLS-5、（d）3D-PCLS-10、（e）3D-PCLS-20、（f）3D-PCLS-H2O（水洗的3D-PCLS-20纖維網）和（g）3D-SCaL（經Ca（OH）2溶液處理的3D-PCLS-20）的FT-IR光譜；B.FT-IR光譜顯示了原位合成的CaL的光譜。

圖6.3D-SCaL的XPS光譜；（a）全掃描數據，（b）C1s掃描，（c）O1s掃描，和（d）Ca2p掃描。

圖7.A.（a）原始PCL纖維（對照）、（b）3D-SCaL和（c）3D-PCLS的 TGA曲線。B.相應的DSC曲線。C.3D纖維的含水量。D.3D纖維的溶脹率表明3D-SCaL的溶脹率最高。

圖8.接觸角結果證明了3D-SCaL的潤濕性：A.2D-PCL（對照）、3D-PCLS、3D-PCLS-H2O和3D-SCaL（從上到下）。B.在時間軸（1秒到7秒）中接觸角的變化。C.從1秒到7秒的接觸角的總差。

圖9.A.3D-SCaL的應變-應力曲線，B.3D-SCaL在拉伸強度實驗過程中的數字圖像（a）標準狗骨形狀的3D-SCaL，（b）負載了3D-SCaL在UTM中，（c）由于松散包裝和相互連接的結構，3D-SCaL的部分斷裂呈現出順序斷裂。

圖10. A.細胞浸潤測定（a）描繪了3D-SCaL中的細胞浸潤，在（b）3D-PCLS-H2O和（c）3D-SCaL支架中通過CLSM觀察了細胞培養10天后的細胞浸潤。（在切片視圖中，MC3T3-E1細胞對兩個支架均顯示出良好的生存力，并具有豐富的突起。在3D視圖中，MC3T3-E1廣泛分布，并在3D-SCaL中顯示出旺盛的增殖和浸潤，比例尺=100 μm）。B.ARS染色的鈣沉積物的吸收值，這是經過SBF處理的樣品在不同時間間隔的提取物。C.MC3T3-E1細胞培養的樣品在（1、3和7）天的光密度。（平均值±S.E.M；**，##P<0.01，*P<0.05；單向方差分析事后 Tukey測試）。

圖11.A.SR-CLSM圖像，顯示了細胞培養10天后BMSCs的細胞浸潤、擴散、細胞骨架伸長。（a），（b）3D-PCLS-H2O，（c），（d）3D-SCaL；B.具有OPN基因表達的3D-SCaL上的BMSCs的免疫組織化學染色顯示成骨分化。（細胞核（藍色，DAPI染色），細胞骨架（綠色，肌動蛋白-綠色染色），OPN（紅色））