張 宇, 劉來俊, 李超婧, 晉巧巧, 謝千陽, 李佩倫, 王富軍, 王 璐
(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室, 上海 201620; 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620; 3. 上海交通大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院, 上海 200011; 4. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 牙體牙髓科, 上海 200011; 5. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 口腔外科, 上海 200011; 6. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 口腔正畸科, 上海 200011)
牙周疾病是一種流行率非常高的慢性疾病,如不及時治療,可能造成牙槽骨等牙周組織破壞甚至牙齒脫落[1]。引導(dǎo)骨再生(GBR)是牙槽骨修復(fù)最常用的策略之一,將GBR膜置于軟組織和骨缺損之間,阻止結(jié)締組織細(xì)胞和上皮細(xì)胞遷移到缺損處,同時使祖細(xì)胞重新定殖并形成新的骨組織[2]。在礦化過程中,健康的細(xì)胞外基質(zhì)保持理想的機(jī)械結(jié)構(gòu),并為成骨細(xì)胞的遷移、黏附、增殖和分化提供大量的生化成分[3]。在GBR膜的眾多制備方法中,靜電紡絲法應(yīng)用較為廣泛,其制備的納米纖維支架具有高孔隙率、高比表面積和低剛度等優(yōu)勢,能夠很好地模擬細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)[4]。靜電紡絲纖維的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)修飾已被證實具有促進(jìn)骨再生的效果,其對細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)主要取決于表面粗糙度的變化[5]。串晶(SK)結(jié)構(gòu)可采用溶劑誘導(dǎo)結(jié)晶法制備而得,其由納米纖維和垂直于纖維軸向的周期性片晶結(jié)構(gòu)共同組成,可以顯著提高纖維的表面粗糙度,通過影響蛋白吸附、調(diào)控各種細(xì)胞活動,從而更好地模擬天然膠原纖維的分層納米結(jié)構(gòu)來指導(dǎo)宿主細(xì)胞并調(diào)節(jié)骨再生[6-7]。
增強(qiáng)GBR膜的骨再生效果除了可對其結(jié)構(gòu)修飾外,還可以將生物活性物質(zhì)結(jié)合到支架中,進(jìn)一步加速移植物與宿主組織的骨整合。研究表明,間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)衍生的外泌體在體內(nèi)外成骨過程中起著至關(guān)重要的作用,可通過傳遞脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)和肽等直接調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化[8]。Liu等[9]的研究表明,骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體(BMSC-Exo)可促進(jìn)骨橋蛋白和骨鈣素基因表達(dá),M2型巨噬細(xì)胞極化以及轉(zhuǎn)化生長因子-β1的表達(dá),從而實現(xiàn)牙周炎大鼠牙周組織修復(fù)和再生。與生長因子、干細(xì)胞等相比,外泌體可最大限度地減少對生物活性誘導(dǎo)分子的需求,有效避免毒性和免疫原性問題[10-11]?;谕饷隗w的治療主要通過靜脈注射[12],這導(dǎo)致外泌體在體內(nèi)半衰期極短[13]。此外,對于牙槽骨的修復(fù),直接注射也不利于外泌體在近中根部位的良好累積[14]。相較于在懸浮培養(yǎng)基中提供外泌體,將外泌體直接固定在移植物表面可更好地促進(jìn)MSCs生長和成骨分化[15]。Zha等[16]構(gòu)建了工程化的小鼠成軟骨細(xì)胞系衍生外泌體,通過特定的外泌體錨定肽充當(dāng)柔性接頭,將其與3D打印聚己內(nèi)酯(PCL)多孔支架結(jié)合作為成骨基質(zhì),從而誘導(dǎo)MSCs的成骨分化并可控地釋放基因以重塑血管系統(tǒng)??梢姡瑢⑼饷隗w與支架相結(jié)合有利于其在缺損部位進(jìn)行可持續(xù)和穩(wěn)定的治療。
PCL是一種具有良好生物相容性的可降解聚合物,由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和可加工性能已被廣泛用作骨組織修復(fù)材料,利用靜電紡絲技術(shù)可以快速方便地制備PCL納米纖維膜[17]。納米尺度的β-磷酸三鈣(β-TCP)由于其優(yōu)異的生物相容性和骨傳導(dǎo)活性可以改善PCL疏水性、細(xì)胞親和力差和骨傳導(dǎo)活性低等不足[18-19]。基于以上分析,本文通過靜電紡絲技術(shù)制備了PCL/β-TCP有機(jī)/無機(jī)復(fù)合納米纖維膜,并通過溶劑誘導(dǎo)結(jié)晶法制備出串晶結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加其粗糙度;為提高纖維膜對細(xì)胞的親和力以及對外泌體的附著力,對串晶纖維膜進(jìn)行聚多巴胺(PDA)改性;最終創(chuàng)建了一個外泌體功能化的串晶納米纖維膜,以期促進(jìn)干細(xì)胞在體外的成骨分化。
聚己內(nèi)酯(PCL,數(shù)均分子量為80 000 g/mol)、胰酶、雙抗、地塞米松、抗壞血酸、β-甘油磷酸鈉和細(xì)胞培養(yǎng)基(DMEM),美國Sigma-Aldrich公司;β-磷酸三鈣(β-TCP,粒徑≤200 nm),百靈威科技有限公司;三氯甲烷(CF,純度≥99.0%)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF,純度≥99.5%)、三(羥甲基)氨基甲烷(Tris,純度≥99.5%)、鹽酸(HCl,純度為36.0%~38.0%)、十二烷基苯磺酸鈉(SDS,純度≥83.0%)和磷酸鹽緩沖液(PBS)配制所需原料KCl、NaCl、Na2HPO4·12H2O和KH2PO4,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;乙酸戊酯(純度約為99.0%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;鹽酸多巴胺(數(shù)均分子量為189.64 g/mol),北京Solarbio公司;TritonX-100,上海翊圣生物科技有限公司;胎牛血清蛋白(BSA)、BCA蛋白質(zhì)定量檢測試劑盒,上海生工生物工程有限公司;大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(rBMSCs)、完全培養(yǎng)基,中國科學(xué)院上海細(xì)胞庫;去外泌體胎牛血清,上海逍鵬生物科技有限公司;堿性磷酸酶(AKP)試劑盒、BCIP/NBT堿性磷酸酶染色試劑盒,南京建成科技有限公司。
TL-Pro-BM型靜電紡絲機(jī),深圳通力微納科技;SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、JEM-2100F型場發(fā)射透射電子顯微鏡(FE-TEM),日本日立公司;NEXUS-670型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR),美國Thermo Fisher公司;OCA 20型接觸角測試儀,德國Dataphysics公司;Axioskop 2 plus型光學(xué)顯微鏡,上海歐波同儀器有限公司;Zetaview納米顆粒跟蹤分析儀,德國Particle Metrix公司。
1.2.1 串晶納米纖維膜制備工藝
首先,將PCL顆粒加入至CF和DMF(二者體積比為3∶1)中配制成質(zhì)量濃度為0.12 g/mL的PCL溶液;向PCL溶液中加入β-TCP(占PCL質(zhì)量的5%),超聲波處理1 h使β-TCP充分分散;在磁力攪拌下形成均勻混合的紡絲液。將上述紡絲液轉(zhuǎn)移至裝有19G針頭的10 mL注射器中在靜電紡絲機(jī)上進(jìn)行紡絲。紡絲電壓為15 kV,推注速度為1.2 mL/h,紡絲距離為15 cm。將所得靜電紡絲纖維膜置于37 ℃真空干燥箱中干燥24 h以充分去除殘留有機(jī)溶劑,將該纖維膜記為PT5。
然后,采用溶劑誘導(dǎo)結(jié)晶法在納米纖維表面制備串晶結(jié)構(gòu)。將PCL顆粒溶于乙酸戊酯中配制0.01 g/mL的PCL稀溶液,在60 ℃溫度下磁力攪拌2 h,冷卻至室溫后滴加于PT5纖維膜上過夜使溶劑自然揮發(fā),得到具有串晶結(jié)構(gòu)的纖維膜,記為PT5SK。
最后,將制備的PT5和PT5SK靜電紡纖維膜分別浸入2 mg/mL的鹽酸多巴胺和10 mmol/L Tris-HCl(pH值為8.5)中,并在37 ℃和60 r/min搖床中孵育12 h;之后將纖維膜用去離子水超聲波清洗多次至水不變色,然后于37 ℃真空干燥24 h,所得樣品分別記為PT5/PDA和PT5SK/PDA。
1.2.2 結(jié)構(gòu)與性能表征
將真空干燥后的纖維膜噴射鉑金后,采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對其表觀形貌進(jìn)行觀察,并用Image J軟件測量纖維的直徑。
通過傅里葉紅外光譜儀測試?yán)w維膜的特征化學(xué)基團(tuán),分辨率為2 cm-1,波數(shù)范圍為4 000~400 cm-1。
采用接觸角測試儀測量纖維膜的水接觸角以評價其表面潤濕性。液滴體積為2 μL,每種樣品測量3次,取平均值。
對纖維膜的蛋白吸附能力進(jìn)行評價。首先,將PT5、PT5SK、PT5/PDA和PT5SK/PDA纖維膜裁剪成直徑為14 mm的圓形并置于24孔板中,用PBS清洗3次,加入1 mg/mL BSA溶液在37 ℃恒溫?fù)u床中以30 r/min孵育12 h。然后吸除多余液體,并用PBS清洗多余BSA溶液,每孔加入1 mL 1% SDS溶液孵育4 h,將樣品上吸附的蛋白剝離,采用BCA蛋白質(zhì)定量檢測試劑盒定量測量上清液中BSA的濃度。
1.3.1 rBMSCs外泌體分離方法
選用第4代rBMSCs在完全培養(yǎng)基中培養(yǎng)至80%融合度時,用PBS清洗舊的生長培養(yǎng)基,然后更換為無外泌體的成骨分化培養(yǎng)基(向DMEM中加入體積分?jǐn)?shù)為10%的去外泌體胎牛血清,體積分?jǐn)?shù)為1%的雙抗,50 μmol/L抗壞血酸,10 mmol/L β-甘油磷酸鈉和100 nmol/L地塞米松),置于37 ℃、5% CO2的細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。48 h后收集成骨分化培養(yǎng)基上清液,-80 ℃下保存直至外泌體分離,所得外泌體記為BMSC-Exo。
采用超濾結(jié)合分子排阻色譜方法從細(xì)胞上清液中提取外泌體。首先,向100 ku超濾管中加入細(xì)胞上清液,離心10 min棄廢液,重復(fù)上述操作直至無法繼續(xù)濃縮為止。用0.1 mol/L PBS沖洗凝膠排阻柱,待凝膠排阻柱平衡好后,向每根柱中加入1 mL預(yù)處理好的細(xì)胞上清液。樣品全部進(jìn)入填料后,添加0.1 mol/L PBS進(jìn)行洗脫,收集對應(yīng)的外泌體餾分。將收集到的外泌體轉(zhuǎn)移至100 ku超濾管,離心15 min濃縮至200 μL左右,吹打均勻后將外泌體全部吸出用于后續(xù)試驗及鑒定。
1.3.2 濃度與結(jié)構(gòu)表征
采用BCA定量試劑盒對分離的外泌體濃度進(jìn)行測量。
使用場發(fā)射透射電子顯微鏡(FE-TEM)觀察外泌體的形態(tài)。將重懸于PBS中的BMSC-Exo包埋在碳涂覆的銅網(wǎng)上,并在室溫下干燥10 min,隨后用1%磷鎢酸染色,在80 kV下拍攝FE-TEM照片。
采用ZetaView測量所提取的外泌體顆粒濃度,并通過納米顆粒跟蹤分析(NTA)測量其粒徑分布情況。
1.4.1 外泌體功能化串晶納米纖維膜制備工藝
將PT5SK/PDA纖維膜裁剪成直徑為14 mm的圓形并置于24孔板中,放入酒精熏缸中過夜滅菌,負(fù)載外泌體前用PBS清洗樣品3次。將重懸于PBS中的BMSC-Exo滴加至PT5SK/PDA纖維膜上,每個樣品的外泌體負(fù)載量約為10 μg,于4 ℃下孵育24 h,所得樣品記為PT5SK/PDA-Exo。
1.4.2 rBMSCs成骨分化表征
為評估PT5、PT5SK、PT5/PDA、PT5SK/PDA和PT5SK/PDA-Exo促進(jìn)干細(xì)胞體外成骨分化的能力,對培養(yǎng)在纖維膜上的rBMSCs的堿性磷酸酶(ALP)活性進(jìn)行表征。選用第4代rBMSCs以2×104個/孔的密度種植在滅菌的PT5、PT5SK、PT5/PDA、PT5SK/PDA和PT5SK/PDA-Exo樣品表面,每種樣品設(shè)置3個平行樣。完全培養(yǎng)基培養(yǎng)48 h后更換為成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基(向完全培養(yǎng)基中加入50 μmol/L抗壞血酸、10 mmol/L β-甘油磷酸鈉和100 nmol/L地塞米松),培養(yǎng)至成骨誘導(dǎo)7和14 d,每48 h更換新鮮培養(yǎng)基。
通過對ALP染色定性評價其活性。首先,吸出培養(yǎng)基用PBS清洗3次后,加入4%多聚甲醛,在4 ℃下固定3 h,用PBS清洗3次去除多余固定液。然后采用BCIP/NBT堿性磷酸酶染色試劑盒對各纖維膜進(jìn)行染色。采用數(shù)碼相機(jī)和光學(xué)顯微鏡分別拍攝纖維膜的宏觀和微觀染色情況。
測試ALP活力定量評價其活性。吸除24孔板內(nèi)的培養(yǎng)基,用PBS清洗3次后加入0.5%的TritonX-100裂解液,置于4 ℃下孵育過夜。次日,取出上清液并以2 000 r/min離心5 min,用離心后新的上清液來測定ALP的活性及總蛋白濃度。根據(jù)AKP試劑盒和BCA蛋白質(zhì)定量檢測試劑盒對各樣品的ALP活性進(jìn)行定量測試。
試驗得到的各數(shù)值均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示,通過單因素方差分析(ANOVA)進(jìn)行統(tǒng)計分析。顯著性差異水平*** 表示P<0.001;** 表示P<0.01;*表示P<0.05。
2.1.1 微觀形貌分析
靜電紡絲PCL納米纖維膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能和高比表面積的固有優(yōu)勢,可以很好地模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu),將β-TCP無機(jī)材料引入可降解聚合物中可進(jìn)一步實現(xiàn)快速礦化和良好的骨再生[20]。圖1示出PT5、PT5SK、PT5/PDA和PT5SK/PDA纖維膜的微觀形貌。由圖1(a)可知,通過靜電紡絲法可獲得表面平滑、隨機(jī)分布且均勻連續(xù)的納米纖維,纖維直徑為(624.48±194.92) nm。由圖1(b)可知,經(jīng)PCL串晶溶液孵育后,PT5纖維表面形成了垂直于纖維軸向的串晶結(jié)構(gòu),使纖維膜的表面粗糙度增加,從而有利于MSCs的募集和成骨分化。為提高纖維膜對細(xì)胞的親和力以及對外泌體的附著力,對PT5和PT5SK進(jìn)行PDA改性。從圖1(c)和(d)可看出,PDA改性后PT5和PT5SK纖維膜表面存在由多巴胺氧化自聚合產(chǎn)生的PDA顆粒,PT5SK/PDA的串晶結(jié)構(gòu)在PDA改性后仍然存在且未被PDA覆蓋,這說明PDA功能化不影響串晶纖維膜的形貌。
圖1 PDA改性前后PT5和PT5SK纖維膜的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of PT5 and PT5SK fibrous membranes before and after PDA modification
2.1.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析
圖2 β-TCP、PCL、PT5、PT5/PDA、 PT5SK和PT5SK/PDA的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of β-TCP, PCL, PT5, PT5/PDA, PT5SK and PT5SK/PDA
2.1.3 表面浸潤性分析
PT5、PT5SK、PT5/PDA及PT5SK/PDA的表面浸潤性評價結(jié)果如圖3所示。由于PCL的疏水性,PT5和PT5SK纖維膜均表現(xiàn)出疏水性,水接觸角分別為(134.4±2.69)°和(126.6±1.45)°。串晶結(jié)構(gòu)的形成使PT5SK的接觸角有所降低,這可能是由于串晶的存在使纖維膜的孔徑增加,從而有利于水分子的滲入。改性引入的PDA使PT5和PT5SK纖維膜的親水性得到極大的提高,接觸角分別降低至(104.9±1.17)°和(95.7±0.39)°。這是由于PDA中存在鄰苯二酚、氨基等親水性基團(tuán)[25],使得改性后纖維膜的表面浸潤性顯著改善。PT5SK/PDA纖維膜由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和PDA修飾的雙重作用,相比其他3組具有最優(yōu)的表面浸潤性(P<0.001),有利于改善纖維膜的生物相容性以及細(xì)胞的黏附和增殖。盡管PCL/β-TCP纖維表面的串晶結(jié)構(gòu)已被證實具有促進(jìn)成骨分化的作用,但PCL仍因其疏水性和缺乏活性官能團(tuán)削弱了生物礦化的效果。而PDA修飾則可以彌補(bǔ)這一不足,賦予材料良好的親水性、細(xì)胞相容性和成骨活性[26]。
圖3 PDA改性前后PT5和PT5SK纖維膜的水接觸角Fig.3 Water contact angles of PT5 and PT5SK fibrous membranes before and after PDA modification
2.1.4 蛋白吸附分析
生物材料表面的蛋白吸附是決定其生物相容性的一個重要因素,細(xì)胞在材料表面的附著、遷移和生長是由蛋白質(zhì)介導(dǎo)的,通常與Integrin β1和Vinculin等細(xì)胞黏附相關(guān)蛋白有關(guān),因此,吸附的蛋白量增加有利于提高細(xì)胞在支架表面的快速黏附和鋪展[25,27]。為評價支架的生物學(xué)特性,研究了納米纖維膜的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性能對蛋白吸附性能的影響。PT5、PT5SK、PT5/PDA、PT5SK/PDA纖維膜的蛋白吸附情況如圖4所示。
圖4 PT5、PT5SK 、PT5/PDA、PT5SK/PDA 纖維膜的蛋白吸附情況Fig.4 Protein adsorption of PT5, PT5SK, PT5/PDA and PT5SK/PDA fibrous membranes
由圖4可知,相比于PT5纖維膜的平滑纖維,PT5SK的蛋白吸附量顯著增加(P<0.05),主要是因為串晶結(jié)構(gòu)的存在能夠提高材料的比表面積和表面粗糙度,從而提高對蛋白質(zhì)的吸附效率,而且親水性的增加也促進(jìn)了蛋白吸附。材料的表面潤濕性在蛋白吸附中起著重要作用[28],PDA改性后的纖維膜由于親水性顯著增加,蛋白吸附量也相應(yīng)增加,整體趨勢與表面浸潤性的趨勢一致。更重要的是,PDA層可以作為表面功能化的輔助平臺,將各種類型的生物活性因子固定在基材上,從而賦予材料卓越的性能[29]。外泌體是一種具有雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞外囊泡,蛋白吸附的增加也有利于提高纖維膜對外泌體的吸附能力并長時間保持穩(wěn)定的附著。
2.2.1 外泌體結(jié)構(gòu)分析
對提取的外泌體進(jìn)行表征,結(jié)果如圖5所示。從FE-TEM照片可以看出,BMSC-Exo表現(xiàn)為杯狀囊泡,具有清晰的雙層膜結(jié)構(gòu)。NTA結(jié)果表明,外泌體顆粒平均粒徑為142.4 nm,粒徑主峰為126.7 nm。以上結(jié)果初步證實了細(xì)胞上清液提取物是納米級外泌體。
圖5 BMSC-Exo的FE-TEM照片和粒徑分布圖Fig.5 FE-TEM image (a) and particle size distribution (b) of BMSC-Exo
2.2.2 成骨分化分析
ALP是成骨分化早期的標(biāo)志物,通過染色和定量可對rBMSCs的體外成骨分化情況進(jìn)行評價。rBMSCs在纖維膜上成骨誘導(dǎo)7和14 d的ALP染色和定量結(jié)果如圖6、7所示。誘導(dǎo)7 d時,PT5和PT5SK纖維膜上細(xì)胞數(shù)量較少,且ALP染色較淺,經(jīng)過PDA改性后的PT5/PDA和PT5SK/PDA的ALP染色面積有所增加、藍(lán)紫色加深,且二者存在顯著性差異(P<0.01);BMSC-Exo的加入顯著提高了ALP活性(P<0.001),誘導(dǎo)14 d時,細(xì)胞數(shù)量增加并且顏色變深,負(fù)載了外泌體的PT5SK/PDA-Exo仍表現(xiàn)出最深的染色以及最高的ALP活力(P<0.001)。串晶結(jié)構(gòu)和PDA改性使得纖維膜表面粗糙度和表面浸潤性增加,從而有利于蛋白吸附、細(xì)胞生長和成骨礦化基質(zhì)的形成。外泌體功能化后,ALP活性進(jìn)一步增加,這歸因于其自身的骨誘導(dǎo)作用。外泌體中富含的microRNA等物質(zhì)可通過絲裂原活化蛋白激酶、Wnt等信號通路促進(jìn)成骨相關(guān)基因的表達(dá)[30],因此,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PDA改性以及外泌體3個因素共同促進(jìn)了rBMSCs在纖維膜表面的成骨分化。此外,外泌體可以在體內(nèi)缺血或壞死微環(huán)境中起到減少細(xì)胞凋亡、趨化和增殖的作用,同時募集MSCs并促進(jìn)其增殖和成骨分化,促進(jìn)血管形成[31],這也有利于其在體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境中實現(xiàn)綜合的牙周組織再生效果。
圖6 rBMSCs在纖維膜上成骨誘導(dǎo)7和14 d的ALP染色圖Fig.6 ALP staining of rBMSCs osteogenic on fibrous membranes at 7 d and 14 d
圖7 rBMSCs在纖維膜上成骨誘導(dǎo)7和14 d的ALP活力Fig.7 ALP activity of rBMSCs osteogenic on fibrous membranes at 7 d and 14 d
本文通過靜電紡絲法制備了聚己內(nèi)酯/β-磷酸三鈣(PCL/β-TCP)復(fù)合納米纖維膜,采用溶劑誘導(dǎo)結(jié)晶法成功制備出串晶結(jié)構(gòu)。對PCL/β-TCP串晶纖維膜進(jìn)行聚多巴胺(PDA)修飾,PCL/β-TCP/PDA串晶纖維膜表面浸潤性和蛋白吸附能力顯著提高。外泌體通過PDA的黏附作用負(fù)載于纖維膜上,該功能化纖維膜顯示出最利于大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(rBMSCs)成骨分化的特性,顯著促進(jìn)堿性磷酸酶(ALP)活性的增加,有望應(yīng)用于體內(nèi)加速牙槽骨愈合。