Advanced Healthcare Materials :共轭静电纺三维明胶纳米纤维海绵用于快速止血

静电纺丝纳米纤维是先进纤维材料,具有优异的柔韧性,相对容易使用,适应性强等特点。然而,电纺纳米纤维的最大的局限在于其固有的致密纤维结构,所制备的纳米纤维通常为致密的薄膜。近几十年来,国内外报道了多种制备三维静电纺丝纳米纤维支架的方法,比如短纳米纤维组装、气体发泡法、三维打印和电喷雾等。然而,这些方法是基于静电纺丝技术的二次加工,制备工艺复杂。目前,有关直接静电纺丝技术制备纳米纤维三维支架的报道,大多数是通过使用特殊的纺丝溶液或专门设计的收集器来实现的。因此,寻求一种简单、高效、通用、一步成型的三维静电纺技术具有重要意义。

最近,东华大学莫秀梅课题组报道了一种通过简单的共轭静电纺丝技术制备超轻三维纳米纤维海绵的方法。所制备的明胶海绵具有蓬松纳米纤维结构,这种独特的结构使海绵具备低密度、高表面积、大孔径、可压缩性和超强的液体吸收能力的特性。为了验证这种共轭静电纺丝方法对各种材料的普遍适用性,本研究尝试了常见的合成高分子聚合物聚乳酸、聚己内酯和天然高分子聚合物丝素蛋白,以及合成高分子和天然高分子聚合物共混。事实证明,所有这些聚合物都可以被电纺成三维蓬松的纳米纤维海绵。

图1. 共轭静电纺三维明胶纳米纤维海绵用于快速止血示意图。
图2. 明胶纳米纤维海绵的静电纺丝。(A-C)3D纳米纤维海绵制备过程示意图;(D)高速摄像机记录纳米纤维海绵形成过程的数字图像。(E)纳米纤维海绵形成过程中的代表性照片。

在共轭静电纺丝过程中,带电液滴的表面张力一旦被静电力所克服,就会变成纳米纤维射流,并沿直线路径喷射出一定距离。当纳米纤维喷流在电场中加速时,从相反方向带正电荷和负电荷的纳米纤维在初始阶段相互吸引。随后,缠绕的纳米纤维被吸引到接地的金属漏斗上。在如此强的电场作用下,沉积的纳米纤维通过静电感应和极化带电,并作为新的尖端吸引进来的纳米纤维。纳米纤维沉积是一个连续的过程,纳米纤维海绵上的电荷随着时间的推移而减少,从而降低了对入射纳米纤维射流的净静电吸引。纳米纤维之间以及集电极与纳米纤维之间的排斥力导致了松散的结构。

图3. 明胶纳米纤维膜与海绵的细胞相容性分析。(A)NIH 3T3成纤维细胞在膜和海绵上的活/死染色;(B)MTT法测定NIH 3T3细胞在细胞膜和海绵上的增殖情况;(C)NIH 3T3细胞在膜和海绵上培养的激光共聚焦图像。
图4. 三维纳米纤维明胶快速止血海绵及其止血机制示意图。

实验结果表明,该明胶纳米纤维海绵具有良好的细胞相容性、高细胞通透性和低溶血率。大鼠皮下植入实验显示,明胶纳米纤维海绵具有良好的生物相容性和生物降解性。明胶纳米纤维海绵能大量聚集和激活血小板,加速血小板栓塞的形成,并同时激活外在和内在的凝血途径,共同促进其卓越的止血能力。在兔耳动脉损伤模型和肝脏损伤模型的体内研究表明,明胶纳米纤维海绵在最短的时间内形成稳定的血凝块,失血量最少。因此,认为明胶纳米纤维海绵作为可吸收止血剂具有很大的潜力。

本文第一作者为东华大学2018级生物材料专业的博士生谢宪瑞,东华大学莫秀梅教授和吴晶磊博士为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、东华大学研究生创新基金等项目资助。

论文信息:

Conjugate Electrospun 3D Gelatin Nanofiber Sponge for Rapid Hemostasis

Xianrui Xie, Dan Li, Yujie Chen, Yihong Shen, Fan Yu, Wei Wang, Zhengchao Yuan, Yosry Morsi, Jinglei Wu*, Xiumei Mo*

Advanced Healthcare Materials

DOI: 10.1002/adhm.202100918

文章网址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202100918