武小童，何 兒，王 璐，劉來(lái)俊，李超婧，王富軍

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

由于高分子纖維基材料具有較高的強(qiáng)度、柔性、孔隙率以及比表面積等特點(diǎn)，與人體組織的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能相似，因此，在植入修復(fù)型醫(yī)療器械中具有廣泛的應(yīng)用和巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前，高分子纖維基材料已經(jīng)被應(yīng)用于手術(shù)縫合線[1-3]、傷口敷料[4-6]、疝氣修復(fù)補(bǔ)片[7-9]與人工心臟瓣膜[10-12]等生物醫(yī)用材料中。特別是隨著再生醫(yī)學(xué)概念的提出與推廣，誘導(dǎo)組織再生成為生物醫(yī)用材料的重要發(fā)展方向。高分子纖維基材料能從物理結(jié)構(gòu)上高度模擬細(xì)胞外基質(zhì)[13]，從而為細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖提供有利環(huán)境，因此受到廣泛關(guān)注。目前，利用高分子纖維基材料誘導(dǎo)諸如皮膚[14-16]、血管[17-19]、韌帶[20-22]、肌腱[23-25]、膀胱[26-28]、神經(jīng)[29-31]及軟骨[32-34]等組織再生的研究層出不窮。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)構(gòu)建纖維材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可達(dá)到提高材料和生物體整合的效果，且該效果可持續(xù)作用于材料的整個(gè)服役周期[35-40]。因此，研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)控對(duì)于提升材料誘導(dǎo)組織再生的能力具有重要意義。

高分子纖維基材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括兩大層次：?jiǎn)卫w維結(jié)構(gòu)與纖維集合體結(jié)構(gòu)。單纖維結(jié)構(gòu)包括溝槽結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、串晶結(jié)構(gòu)等；纖維集合體的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括纖維直徑、纖維取向、孔徑/孔隙率、孔形等，如圖1所示。高分子纖維及其集合體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞行為有顯著影響。文獻(xiàn)[41-42]綜述了纖維直徑、取向與孔尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)細(xì)胞行為的影響，但未對(duì)細(xì)胞的各項(xiàng)行為分類進(jìn)行討論。Beachley等[43]綜述了纖維基支架結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞形態(tài)、黏附、增殖和分化等行為的影響，但未對(duì)支架的多項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分類討論。目前，鮮有針對(duì)單纖維形貌對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)控作用的綜述文獻(xiàn)。

圖1 全文架構(gòu)Fig.1 Article structure

本文從高分子纖維基材料的單纖維及其集合體這兩個(gè)結(jié)構(gòu)層次出發(fā)，較全面地總結(jié)評(píng)述了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞的黏附鋪展、增殖、遷移與分化等行為的調(diào)控作用，并對(duì)纖維材料結(jié)構(gòu)調(diào)控細(xì)胞行為的知識(shí)體系進(jìn)行梳理，以期為誘導(dǎo)再生材料的設(shè)計(jì)提供參考。

1 單纖維結(jié)構(gòu)

1.1 溝槽結(jié)構(gòu)

1.1.1 溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞黏附和鋪展的調(diào)控

具有適當(dāng)溝槽結(jié)構(gòu)的纖維或基于此類纖維的支架能夠在一定程度上改善細(xì)胞的黏附。例如，Sinclair等[44]研究發(fā)現(xiàn)，人皮膚成纖維細(xì)胞在具有溝槽結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管通道纖維支架上的黏附優(yōu)于圓形截面纖維對(duì)照組。這是由于表面凹槽形成的二級(jí)結(jié)構(gòu)提高了纖維與集合體的比表面積，使得細(xì)胞與纖維間的力學(xué)相互作用更加緊密。

1.1.2 溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞增殖的調(diào)控

溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)于細(xì)胞增殖具有一定的促進(jìn)作用，但并非起決定性作用。Park等[45]發(fā)現(xiàn)，成骨肉瘤細(xì)胞在十字形截面聚己內(nèi)酯(polycaprolactone, PCL)纖維支架上的增殖量顯著高于圓形、三角形截面纖維支架；Williamson等[46]通過(guò)濕法紡絲聯(lián)合冷拉伸工藝制備了表面具有溝槽狀紋理的PCL纖維，發(fā)現(xiàn)該纖維能夠提升成纖維細(xì)胞和成肌細(xì)胞的增殖率；Lu等[47]發(fā)現(xiàn)，表面帶有微米級(jí)凹槽的纖維因其毛細(xì)作用而能夠瞬間移動(dòng)流體，具有向三維支架內(nèi)部進(jìn)行物質(zhì)輸送的潛力。對(duì)于貼壁細(xì)胞，黏附是增殖的先決條件[48]，因此溝槽結(jié)構(gòu)可通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞黏附間接促進(jìn)增殖；同時(shí)，溝槽結(jié)構(gòu)所增大的比表面積為細(xì)胞增殖提供了更多的可用表面；此外，特定尺寸的溝槽具有毛細(xì)作用，能夠顯著提升支架的流體輸送性能，提高三維支架內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與氧氣的遞送效率，從而促進(jìn)三維支架內(nèi)部細(xì)胞的增殖。

1.1.3 溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞遷移的調(diào)控

溝槽結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)細(xì)胞的遷移方向，如圖2所示。Huang等[49]發(fā)現(xiàn)，溝槽結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的線性生長(zhǎng)和細(xì)胞骨架的伸長(zhǎng)；Lu等[47]將鼠皮膚成纖維細(xì)胞和鼠主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞接種至毛細(xì)通道纖維支架上，4周后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在沿凹槽的方向高度對(duì)齊并沉積細(xì)胞外基質(zhì)，證實(shí)細(xì)胞按照凹槽的方向進(jìn)行遷移；Kang等[50]制備了具有縱向溝槽微結(jié)構(gòu)的扁平帶狀海藻酸鈉纖維，證實(shí)溝槽纖維的表面拓?fù)涮卣骺杀怀杉〖?xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞感知，并能夠指導(dǎo)其遷移。溝槽結(jié)構(gòu)纖維調(diào)控細(xì)胞遷移的表觀因素是高度有序的表面凹槽結(jié)構(gòu)所給予細(xì)胞的各向異性力學(xué)刺激，內(nèi)在機(jī)制是細(xì)胞的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)[51]，即通過(guò)黏著部位感知各向異性力學(xué)刺激，并從基因?qū)用嬲{(diào)整自身形態(tài)特征，沿溝槽方向延伸以適應(yīng)基質(zhì)形貌。

(a) 單根圓形纖維

(b) 單根溝槽纖維

溝槽的深度與寬度對(duì)細(xì)胞遷移有著重要影響，引導(dǎo)不同細(xì)胞發(fā)生遷移的最佳溝槽寬度并不統(tǒng)一，但基本都集中于微米及亞微米尺度[47, 49, 50, 52]。文獻(xiàn)[53]證實(shí)，細(xì)胞對(duì)于溝槽寬度的感知具有一定的閾值，超過(guò)閾值范圍將失去誘導(dǎo)效果。

此外，Andersson等[54]發(fā)現(xiàn)，具有連續(xù)規(guī)則邊緣的凹槽表面誘導(dǎo)細(xì)胞取向遷移排列的作用更加明顯。

1.1.4 溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞分化的調(diào)控

文獻(xiàn)[55-56]證實(shí)表面溝槽機(jī)制對(duì)細(xì)胞分化存在調(diào)控作用，但這些研究都基于平面基質(zhì)上的溝槽處，而尚未見(jiàn)到針對(duì)纖維表面溝槽結(jié)構(gòu)影響細(xì)胞分化的研究報(bào)道。通過(guò)類比可知：在纖維表面設(shè)置類似尺度的溝槽同樣能夠?qū)?xì)胞分化產(chǎn)生特定作用；而纖維表面的溝槽結(jié)構(gòu)與纖維的直徑、排列方式可能具有協(xié)同作用。因此，通過(guò)基于纖維的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞分化的調(diào)控十分令人期待。

1.2 多孔結(jié)構(gòu)

1.2.1 多孔結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞黏附和鋪展的調(diào)控

與圓形纖維集合體相比，具有多孔表面結(jié)構(gòu)的纖維集合體能夠顯著增大細(xì)胞的鋪展程度，促進(jìn)細(xì)胞的黏附，如圖3(a)和3(b)所示。Jiang等[57]發(fā)現(xiàn)，成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞在多孔PCL纖維支架上的鋪展程度顯著優(yōu)于同尺寸圓形纖維支架；Yang等[58]提出細(xì)胞的偽足可以錨定在多孔纖維表面的孔隙中，從而改善細(xì)胞的黏附作用。多孔纖維有利于細(xì)胞黏附，這是因?yàn)槎嗫锥?jí)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的高比表面積與表面粗糙度有利于黏附蛋白的吸附[59]，可為細(xì)胞提供更多的結(jié)合位點(diǎn)，增大細(xì)胞的鋪展程度，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的黏附。

(a) 圓形纖維集合體

(b) 多孔纖維集合體

(c) 串晶纖維集合體

1.2.2 多孔結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞增殖的調(diào)控

纖維表面的孔結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞增殖。Pant等[60]制備了高度多孔PCL纖維，并使用成骨細(xì)胞評(píng)估基于該纖維制備的支架，發(fā)現(xiàn)相比同尺寸的光滑表面纖維基支架，其細(xì)胞增殖情況有顯著改善；Jiang等[57]研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在多孔纖維基支架上的增殖率明顯高于同尺寸的圓形纖維支架。這是由于多孔表面顯著提升了纖維及其集合體的表面粗糙度和比表面積，使得細(xì)胞黏附作用顯著增強(qiáng)，增殖空間擴(kuò)大，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞增殖。

1.2.3 多孔結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞遷移的調(diào)控

纖維表面特定尺度的孔結(jié)構(gòu)能夠提高細(xì)胞與纖維的結(jié)合緊密程度，從而加強(qiáng)纖維對(duì)細(xì)胞定向遷移的引導(dǎo)作用。周祺惠[61]制備了由多孔左旋聚乳酸(poly-L-lactide, PLLA)纖維組成的取向纖維支架，研究發(fā)現(xiàn)，隨著纖維表面孔徑的增大和孔隙率的提高，細(xì)胞沿纖維軸向的伸長(zhǎng)率與取向程度均顯著增大。此外，纖維表面的多孔結(jié)構(gòu)還有利于細(xì)胞向支架內(nèi)部的快速遷移[60]。

1.3 串晶結(jié)構(gòu)

1.3.1 串晶結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞黏附和鋪展的調(diào)控

部分纖維表面具有的串晶結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞黏附和鋪展，如圖3(c)所示。Jing等[62]將成纖維細(xì)胞接種至PCL串晶納米纖維支架上，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞沿纖維鋪展程度高于圓形纖維支架，且可以明顯地看到細(xì)胞的絲狀偽足；Wang等[63]指出串晶纖維的高比表面積使其能夠吸附更多的玻連蛋白和纖連蛋白分子，從而進(jìn)行細(xì)胞黏附。

1.3.2 串晶結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞增殖的調(diào)控

在纖維表面構(gòu)建串晶結(jié)構(gòu)，能夠顯著提升細(xì)胞的增殖率。Li等[64]發(fā)現(xiàn)串晶PCL纖維支架上的豬髂動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞增殖顯著優(yōu)于圓形PCL纖維支架，并且不同串晶尺寸對(duì)于細(xì)胞增殖的影響不同，片晶尺寸為100 nm的串晶PCL支架具有最佳的細(xì)胞增殖率。

1.3.3 串晶結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞遷移的調(diào)控

串晶結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)細(xì)胞向支架內(nèi)部的遷移。Jing等[65]制備了串晶PCL纖維三維支架并對(duì)成纖維細(xì)胞的遷移情況進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)與圓形纖維三維支架相比，串晶纖維三維支架上的細(xì)胞向支架內(nèi)部遷移的深度明顯增大。

目前鮮有關(guān)于串晶對(duì)纖維細(xì)胞定向遷移的調(diào)控作用的文獻(xiàn)報(bào)道，但通過(guò)與多孔纖維類比可知，串晶結(jié)構(gòu)可能會(huì)加強(qiáng)細(xì)胞與纖維結(jié)合的緊密程度，促進(jìn)纖維對(duì)于細(xì)胞定向遷移的引導(dǎo)作用。

2 纖維集合體結(jié)構(gòu)

2.1 纖維直徑

纖維直徑直接影響纖維集合體的比表面積及表面粗糙度，因此其對(duì)細(xì)胞行為有著重要的調(diào)控作用。表1總結(jié)了多種不同纖維直徑的纖維集合體對(duì)不同細(xì)胞的作用。

表1 不同纖維直徑的纖維集合體對(duì)不同細(xì)胞的作用

2.1.1 纖維直徑對(duì)細(xì)胞黏附和鋪展的調(diào)控

許多研究顯示直徑在亞微米尺度的纖維有利于細(xì)胞的黏附。Chen等[68]通過(guò)靜電紡絲制備了具有不同直徑的PCL纖維支架，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直徑處于納米尺度(428～1 051 nm)時(shí)，細(xì)胞黏附速率隨纖維直徑的增大而降低，而纖維直徑處于微米尺度(1 051～1 647 nm)時(shí)，細(xì)胞黏附速率對(duì)直徑變化不敏感；Luis等[69]將間充質(zhì)干細(xì)胞接種至直徑為0.704～0.880 μm的靜電紡絲支架上，發(fā)現(xiàn)纖維平均直徑為0.704 μm的支架最適宜細(xì)胞的黏附；Gnavi等[70]制備了直徑分別為300 nm、600 nm、1.0 μm和1.3 μm的明膠纖維支架，發(fā)現(xiàn)施萬(wàn)細(xì)胞黏附水平與纖維直徑呈負(fù)相關(guān)，纖維直徑為300 nm的支架上的黏附最優(yōu)。纖維直徑從微米尺度減小至亞微米尺度時(shí)，支架的比表面積明顯增加，并且比表面積的增加與纖維排列無(wú)關(guān)[79]，而具有高比表面積的纖維更易吸附黏附蛋白，可為細(xì)胞附著提供許多黏著位點(diǎn)。

細(xì)胞的鋪展?fàn)顟B(tài)與所黏附的纖維直徑有重要的關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[62, 64]指出：細(xì)胞在小于或接近自身尺度的纖維上傾向于包裹纏繞纖維并沿著纖維伸長(zhǎng)；細(xì)胞在顯著大于自身尺度的纖維上呈鵝卵形，類似于在平面基質(zhì)上的形態(tài)，如圖4所示。Badami等[66]發(fā)現(xiàn)2.1 μm直徑的纖維支架上的成纖維細(xì)胞比光滑表面上的具有更高的縱橫比；Tian等[67]發(fā)現(xiàn)，成纖維細(xì)胞黏附到較小直徑(500 nm)的纖維上時(shí)更加細(xì)長(zhǎng)，黏附到較大直徑(10 μm)的纖維上時(shí)形態(tài)更似球形。細(xì)胞包裹小直徑纖維的原因是，當(dāng)細(xì)胞與纖維接觸時(shí)，細(xì)胞為保持膜表面的擴(kuò)散性受體與纖維表面的配體的結(jié)合，自發(fā)產(chǎn)生細(xì)胞膜局部纏繞以減少相互作用的自由能。

(a) 直徑小于細(xì)胞尺度的纖維

(b) 直徑大于細(xì)胞尺度的纖維

2.1.2 纖維直徑對(duì)細(xì)胞增殖的調(diào)控

適當(dāng)?shù)睦w維直徑能夠提高附著其上的細(xì)胞的增殖活性與增殖率。多數(shù)研究認(rèn)為，亞微米尺度的纖維有利于細(xì)胞增殖。Ko等[72]制備了平均直徑分別為200 nm、600 nm、1.5 μm和5.0 μm的PLGA纖維支架，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞在纖維直徑為600 nm的支架上增殖率遠(yuǎn)高于其他組；Noriega等[80]制備了平均直徑為300 nm、500 nm和1 μm的殼聚糖納米纖維支架，發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞在纖維直徑為300 nm支架上的增殖活性最高。

然而對(duì)于亞微米尺度纖維有利于細(xì)胞增殖這一觀點(diǎn)，有研究人員提出了不同看法。Kim等[73]發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞在微米尺度纖維支架上的增殖活性最高；而Bashur等[74]發(fā)現(xiàn)，鼠成纖維細(xì)胞對(duì)PLGA纖維支架的直徑0.14～3.60 μm變化不敏感。

2.1.3 纖維直徑對(duì)細(xì)胞遷移的調(diào)控

纖維直徑能夠影響纖維對(duì)細(xì)胞遷移方向的引導(dǎo)能力。例如，Li等[75]指出，微米級(jí)纖維比亞微米級(jí)纖維更利于引導(dǎo)細(xì)胞的遷移方向，并提出較大尺度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能具有更強(qiáng)的接觸引導(dǎo)效應(yīng)。

不同細(xì)胞的遷移方向?qū)w維直徑的響應(yīng)有所不同。Fioretta等[71]研究了不同纖維直徑的靜電紡PCL隨機(jī)取向支架對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞和內(nèi)皮集落形成遷移方向的影響，在直徑為5～11 μm的纖維支架上培養(yǎng)時(shí)，內(nèi)皮細(xì)胞沿纖維周向排列細(xì)胞骨架并沉積成膠原層，而內(nèi)皮集落形成細(xì)胞沿著纖維軸向排列細(xì)胞骨架并沉積成膠原層。

Badami等[66]推測(cè)，大直徑纖維會(huì)使細(xì)胞浸潤(rùn)并形成組織，而小直徑纖維會(huì)因孔徑較小而抑制細(xì)胞向支架內(nèi)部的遷移。纖維集合體的孔徑很大程度上由纖維直徑?jīng)Q定[81]，直徑大的纖維會(huì)產(chǎn)生較大的孔，纖維直徑較小則支架的孔徑往往也較小，使得細(xì)胞難以向集合體內(nèi)部遷移。

2.1.4 纖維直徑對(duì)細(xì)胞分化的調(diào)控

纖維直徑對(duì)干細(xì)胞分化表型及分化水平有一定影響。Christopherson等[77]在具有不同纖維直徑的電紡PES隨機(jī)取向纖維支架上培養(yǎng)神經(jīng)干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在纖維直徑為283 nm支架上優(yōu)先分化為少突膠質(zhì)細(xì)胞，在纖維直徑為749和1 452 nm支架優(yōu)先分化為神經(jīng)元譜系；Ren等[78]制備了直徑為160 nm、600 nm與1.6 μm的對(duì)齊取向纖維支架，發(fā)現(xiàn)直徑為600 nm和1.6 μm的纖維支架能夠有效促進(jìn)神經(jīng)嵴干細(xì)胞向施萬(wàn)細(xì)胞譜系分化。分化依賴于細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞周期[82]，細(xì)胞在纖維或支架上的形態(tài)與其分化趨勢(shì)與分化程度密切相關(guān)，推測(cè)細(xì)胞在不同直徑纖維上的分化行為很大程度上取決于細(xì)胞與纖維尺度的比例。例如，在不同直徑的隨機(jī)取向纖維基質(zhì)上培養(yǎng)的大鼠成體神經(jīng)干細(xì)胞，在直徑遠(yuǎn)小于自身尺度的纖維基質(zhì)上不受單根纖維引導(dǎo)，細(xì)胞的形態(tài)更圓，傾向于膠質(zhì)細(xì)胞表型，而在直徑較大的纖維上沿單根纖維延伸，細(xì)胞傾向于分化為神經(jīng)元譜系[77]。

2.2 纖維取向

2.2.1 纖維取向?qū)?xì)胞黏附和鋪展的調(diào)控

隨機(jī)取向支架比對(duì)齊取向支架更有利于細(xì)胞的黏附。Zhong等[83]分別在隨機(jī)取向與對(duì)齊取向的膠原蛋白電紡支架上培養(yǎng)成纖維細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)對(duì)齊取向支架上的細(xì)胞黏附較差。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是，對(duì)齊支架的表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)整，而隨機(jī)支架的不規(guī)則表面結(jié)構(gòu)增大了支架的比表面積，并且隨機(jī)支架內(nèi)部孔與孔之間高度互連，細(xì)胞的絲狀偽足能夠在隨機(jī)纖維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)找到更多的攀附點(diǎn)，使得細(xì)胞對(duì)隨機(jī)支架的黏附作用顯著優(yōu)于對(duì)齊支架。

細(xì)胞在對(duì)齊取向的纖維支架上往往沿著纖維的取向伸長(zhǎng)，而在隨機(jī)取向的纖維支架上沿著周圍的纖維多極化鋪展，如圖5所示。Bashur等[74]通過(guò)靜電紡絲制備了取向度不同的PLGA纖維支架，發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞的長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)軸長(zhǎng)度隨纖維取向的增加而增加；Whited等[84]將PCL和I型膠原混合靜電紡絲形成支架，發(fā)現(xiàn)對(duì)齊取向支架上的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞呈細(xì)長(zhǎng)形，而隨機(jī)支架上的細(xì)胞呈多邊形。這是因?yàn)閷?duì)齊取向纖維支架的高度有序的結(jié)構(gòu)給予細(xì)胞各向異性的力學(xué)刺激，使細(xì)胞產(chǎn)生形態(tài)變化的響應(yīng)；隨機(jī)取向的纖維支架能夠給予細(xì)胞比較均勻的物理支持，并且表面粗糙度更高，有利于細(xì)胞偽足的多向延伸攀附，因此細(xì)胞表現(xiàn)為多極鋪展形態(tài)。

(a) 對(duì)齊取向纖維集合體

(b) 隨機(jī)取向纖維集合體

然而上述規(guī)律并非適用于所有情況，纖維取向與纖維直徑往往共同調(diào)控細(xì)胞行為，細(xì)胞對(duì)取向與直徑的響應(yīng)具有更復(fù)雜的規(guī)律，此外，纖維排列的緊密程度影響細(xì)胞行為[79]。

2.2.2 纖維取向?qū)?xì)胞增殖的調(diào)控

目前已有許多研究指明了對(duì)齊取向或隨機(jī)取向纖維集合體對(duì)細(xì)胞增殖的作用，但不同細(xì)胞對(duì)纖維取向程度的偏好存在很大差異。Subramanian等[85]發(fā)現(xiàn)，相比隨機(jī)納米纖維支架，施萬(wàn)細(xì)胞在對(duì)齊取向PLGA-PCL納米纖維支架上的增殖更好；Shafiee等[86]制備了對(duì)齊和隨機(jī)取向的PLLA/PCL靜電紡絲支架，接種細(xì)胞后進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)支架上的人鼻中隔源干細(xì)胞增殖率較高；Mirzaei等[87]發(fā)現(xiàn)，在對(duì)齊的碳納米纖維支架上培養(yǎng)的人子宮內(nèi)膜干細(xì)胞的增殖量顯著小于隨機(jī)纖維支架；也有研究人員提出，成纖維細(xì)胞的增殖對(duì)纖維取向并不敏感[74, 88]。上述各項(xiàng)研究表明，不同組織細(xì)胞對(duì)于纖維取向的響應(yīng)并不統(tǒng)一。促進(jìn)細(xì)胞增殖的關(guān)鍵在于纖維支架所提供的環(huán)境與組織細(xì)胞所在體內(nèi)環(huán)境的相似程度，當(dāng)從纖維取向上實(shí)現(xiàn)對(duì)天然細(xì)胞外基質(zhì)的高度模擬時(shí)，可能最有利于細(xì)胞的增殖。

2.2.3 纖維取向?qū)?xì)胞遷移的調(diào)控

相比隨機(jī)取向纖維，對(duì)齊取向的纖維能夠引導(dǎo)細(xì)胞的遷移方向，提高細(xì)胞的遷移速度。Xu等[19]制備了對(duì)齊取向的電紡聚(L-丙交酯-己內(nèi)酯)(poly(l-lactid-co-ε-caprolactone), P(LLA-CL))的納米纖維支架，發(fā)現(xiàn)平滑肌細(xì)胞沿著對(duì)齊的納米纖維附著遷移，細(xì)胞骨架蛋白的排布也與納米纖維的方向平行，證明細(xì)胞傾向于沿著纖維取向排列；Bouta等[89]將內(nèi)皮細(xì)胞接種到具有對(duì)齊和隨機(jī)兩種取向的纖維支架上，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞沿著對(duì)齊的纖維延伸與遷移，而隨機(jī)纖維對(duì)細(xì)胞定向遷移有明顯的抑制作用。

對(duì)于對(duì)齊取向纖維，其引導(dǎo)細(xì)胞定向遷移的原理與纖維表面溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞遷移的引導(dǎo)機(jī)理類似：對(duì)齊取向的支架給予細(xì)胞各向異性力學(xué)刺激，影響了細(xì)胞肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)與黏著斑的分布與接觸面積[66]，細(xì)胞通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)感受力學(xué)刺激并從基因?qū)用嬲{(diào)整自身形態(tài)[51]，沿著纖維方向伸長(zhǎng)并遷移。此外，細(xì)胞所感知到的附著物剛度對(duì)細(xì)胞遷移的方向有重要影響[90]，而對(duì)齊纖維的取向方向的有效纖維剛度比正交方向高，這將促使細(xì)胞沿纖維取向遷移。對(duì)于隨機(jī)取向纖維，接種在隨機(jī)纖維支架上的細(xì)胞：?jiǎn)蝹€(gè)細(xì)胞可以在單根纖維上排列和遷移，但當(dāng)細(xì)胞遇到交叉纖維時(shí)，其遷移會(huì)被阻礙；另一種情況是細(xì)胞可以附著在沿不同方向排列的多根纖維上，但不同取向的纖維給予細(xì)胞相互沖突的力學(xué)刺激可能會(huì)抑制細(xì)胞的排列和遷移[89]。

纖維取向與纖維直徑、排列緊密程度往往共同作用于細(xì)胞的遷移。例如，Liu等[91]制備了直徑為0.16～8.64 μm的電紡聚甲基丙烯酸甲酯(polymethy1 methacrylate, PMMA)纖維，發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞沿纖維軸取向時(shí)，具有直徑下限( 0.97 μm)，在該值以下未觀察到細(xì)胞沿纖維軸向排列。Bouta等[89]認(rèn)為，當(dāng)纖維尺度較小且排列緊密時(shí)，由于細(xì)胞所接觸的纖維數(shù)量增多，細(xì)胞更牢固地附著于支架上，這可能使得細(xì)胞更難以遷移。

細(xì)胞向隨機(jī)取向纖維集合體內(nèi)部的遷移優(yōu)于對(duì)齊取向纖維集合體[92]。這可能是由于相比隨機(jī)取向支架，對(duì)齊取向支架內(nèi)部的孔形狀比較規(guī)則，并且孔與孔之間相互隔離，使得細(xì)胞在支架內(nèi)部不易攀附與移動(dòng)。

2.2.4 纖維取向?qū)?xì)胞分化的調(diào)控

纖維的取向?qū)τ诩?xì)胞的分化行為有著非常重要的調(diào)控作用。Lim等[93]發(fā)現(xiàn)，相比隨機(jī)纖維，對(duì)齊纖維上有更高比例的神經(jīng)干細(xì)胞顯示出神經(jīng)元分化的標(biāo)志物；Kijenska-Gawronska等[94]制備了隨機(jī)和對(duì)齊取向的靜電紡絲P(LLA-CL)/膠原蛋白I /膠原蛋白III納米纖維支架，發(fā)現(xiàn)對(duì)齊的納米纖維支架促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的分化；Yin等[95]發(fā)現(xiàn)，肌腱干細(xì)胞在對(duì)齊取向PLA纖維支架上的肌腱特異性基因的表達(dá)明顯高于隨機(jī)取向纖維支架，并且隨機(jī)取向纖維支架能夠誘導(dǎo)成骨，而對(duì)齊取向纖維支架阻礙了成骨過(guò)程。

纖維取向?qū)Ω杉?xì)胞分化的影響源于底物選擇性[93]，例如，對(duì)齊的纖維基質(zhì)不利于少突膠質(zhì)細(xì)胞的附著和持續(xù)存活，卻有利于神經(jīng)元譜系細(xì)胞的附著和存活，因此細(xì)胞表現(xiàn)為向神經(jīng)元譜系分化。同時(shí)，對(duì)齊取向纖維的各向異性力學(xué)刺激也對(duì)細(xì)胞的分化起到一定作用，細(xì)胞感受力學(xué)刺激并調(diào)整自身形態(tài)，而細(xì)胞形態(tài)與細(xì)胞的分化行為直接相關(guān)，故可通過(guò)對(duì)齊纖維的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間接調(diào)控細(xì)胞的分化。

2.3 孔徑及孔隙率

孔徑與孔隙率是纖維集合體的重要特征，大量研究指出孔徑與孔隙率對(duì)細(xì)胞行為有著重要的調(diào)控作用。表2總結(jié)了多種不同孔徑與孔隙率的纖維集合體對(duì)不同細(xì)胞的作用。

表2 不同孔徑與孔隙率的纖維集合體對(duì)不同細(xì)胞的作用

2.3.1 孔徑及孔隙率對(duì)細(xì)胞黏附和鋪展的調(diào)控

細(xì)胞在孔徑小于或接近自身尺寸的纖維集合體上往往呈多極鋪展，在孔徑顯著大于自身尺寸且孔隙率較高的纖維集合體上表現(xiàn)為雙極伸長(zhǎng)形態(tài)。Lowery等[96]制備了孔徑為12～23 μm的靜電紡絲PCL支架，研究發(fā)現(xiàn)，較小孔徑支架上的細(xì)胞呈多極鋪展?fàn)顟B(tài)，較大孔徑支架上的細(xì)胞包裹纏繞在單根纖維上。這是由于在纖維集合體中，孔徑與孔隙率的大小與纖維間距密切相關(guān)，而細(xì)胞能夠橋接的纖維間距有限，超過(guò)橋接閾值將使得細(xì)胞無(wú)法同時(shí)黏附在多根纖維上，則細(xì)胞可用的黏附位點(diǎn)大大減少。因此，過(guò)大的孔徑與過(guò)高的孔隙率不利于細(xì)胞的黏附。例如，Veleirinho[102]評(píng)估成纖維細(xì)胞在平均孔面積分別為9.4和89.3 μm2(孔徑分別為3.5和10.7 μm)的靜電紡絲聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)/殼聚糖支架上的黏附情況，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在3.5 μm平均孔徑的支架上的黏附量與鋪展面積均更高。

2.3.2 孔徑及孔隙率對(duì)細(xì)胞增殖的調(diào)控

孔徑與孔隙率能夠調(diào)控細(xì)胞增殖。Rnjak-Kovacina等[97]將成纖維細(xì)胞接種至孔徑約為8.0和11.7 μm的支架上并培養(yǎng)8 d，發(fā)現(xiàn)孔徑較小的支架上的細(xì)胞增殖率高于孔徑較大的支架；Ma等[100]發(fā)現(xiàn)，相比大孔徑(35 μm)、高孔隙率(89.6%)，小孔徑(30 μm)、低孔隙率(84.9%)的PET纖維支架中培養(yǎng)的ED27人滋養(yǎng)層細(xì)胞具有較高的初始細(xì)胞增殖率和代謝活性。這可能是由于小孔徑支架更利于細(xì)胞的附著與細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)。

研究發(fā)現(xiàn)，不同的細(xì)胞或組織對(duì)孔徑的偏好不同。Tang等[101]在研究纖維基質(zhì)結(jié)構(gòu)與鼠皮膚成纖維細(xì)胞和中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞增殖關(guān)系的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雖然兩種細(xì)胞系在基質(zhì)中都能正常生長(zhǎng)，但它們?cè)诳讖胶涂紫堵史矫姹憩F(xiàn)出不同的偏好。因此，在設(shè)計(jì)組織工程支架時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮種子細(xì)胞對(duì)孔徑及孔隙率的偏好，從而最大程度地誘導(dǎo)組織再生。

2.3.3 孔徑及孔隙率對(duì)細(xì)胞遷移的調(diào)控

細(xì)胞在小孔徑的支架上通常會(huì)橋接多根纖維而均勻擴(kuò)散，而在大孔徑的支架上大多沿著單根纖維遷移。Lowery等[96]證實(shí)，較大的孔徑促使細(xì)胞沿著單根纖維排列。Ma等[100]發(fā)現(xiàn)，孔徑和孔隙率較低的支架上培養(yǎng)的細(xì)胞能夠更容易地在相鄰纖維上擴(kuò)散。Kennedy等[42]指出，細(xì)胞可以跨越較小的孔橋接纖維，而在大于自身尺寸的孔內(nèi)其會(huì)黏附在單根纖維上并沿著單根纖維生長(zhǎng)。

細(xì)胞向大孔徑、高孔隙率纖維集合體內(nèi)部的遷移程度更高，而小孔徑、低孔隙率集合體上的細(xì)胞往往駐留在表面。Rnjak-Kovacina等[97]發(fā)現(xiàn)，高孔隙率支架有利于細(xì)胞向支架內(nèi)部遷移。Murphy等[98]發(fā)現(xiàn)，孔徑越大細(xì)胞向支架內(nèi)部遷移程度越高。較大的孔徑使細(xì)胞向集合體內(nèi)部遷移的阻礙減少，同時(shí)能更高效地實(shí)現(xiàn)氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送與代謝廢物的清除(如圖6所示)，使得細(xì)胞能夠快速向內(nèi)遷移；而小孔徑會(huì)將細(xì)胞屏蔽在支架表面，并且物質(zhì)交換效率更低，使得細(xì)胞難以滲透。因此，Lowery等[96]提出，在組織工程用電紡支架的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，孔隙必須足夠大，以促進(jìn)細(xì)胞快速滲透入支架內(nèi)部，但不能大到阻止細(xì)胞快速構(gòu)建細(xì)胞外基質(zhì)時(shí)對(duì)纖維的橋接。

圖6 大孔徑、高孔隙率的纖維集合體有利于細(xì)胞滲透和物質(zhì)交換Fig.6 Fiber aggregate with large pore size and high porosityfacilitates cell infiltration and material exchange

從另一個(gè)角度來(lái)看，小孔徑材料難以被組織細(xì)胞滲透的特點(diǎn)也可加以利用。例如，Sill等[105]提出，具有小孔徑的靜電紡納米纖維網(wǎng)的高比表面積能夠支持內(nèi)皮細(xì)胞的良好黏附，而其納米尺度的孔徑能夠阻止微米尺度的平滑肌細(xì)胞向血管腔內(nèi)的遷移，因此非常適合應(yīng)用于血管組織工程，如圖7所示。

圖7 靜電紡絲網(wǎng)狀納米纖維集合體用于血管組織工程Fig.7 Reticular electrospun nanofiber aggregate usedfor vascular tissue engineering

2.3.4 孔徑及孔隙率對(duì)細(xì)胞分化的調(diào)控

纖維集合體的孔徑及孔隙率能夠調(diào)控細(xì)胞的分化方向與分化活力。Kennedy等[42]提出，孔徑能夠改變細(xì)胞的鋪展面積，從而影響細(xì)胞分化；Kemppainen等[104]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變支架孔徑與孔隙率而改變支架通透性，能夠影響軟骨細(xì)胞的再分化進(jìn)程；Zhang等[103]通過(guò)冷凍干燥技術(shù)制備了孔徑為50～300 μm的4種絲素蛋白纖維支架，研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)染了骨形態(tài)發(fā)生蛋白BMP7的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在100～300 μm孔徑的支架上的成骨分化標(biāo)志物表達(dá)良好，分化活力最高；Oh等[99]在孔徑和孔隙率梯度分布(90～400 μm，80%～97%)的PCL纖維支架上接種脂肪干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)孔徑為380～405 μm的支架上細(xì)胞的軟骨分化標(biāo)志物表達(dá)最高。

2.4 孔形

2.4.1 孔形對(duì)細(xì)胞黏附和鋪展的調(diào)控

目前已有研究表明，纖維集合體孔形能夠調(diào)控細(xì)胞黏附鋪展的形態(tài)。Di Luca等[106]將間充質(zhì)干細(xì)胞接種在孔隙率相同而孔形不同的PCL纖維支架內(nèi)研究細(xì)胞情況，結(jié)果顯示，不同孔形支架上的細(xì)胞黏附形態(tài)不同，在孔形較規(guī)則的支架上的細(xì)胞具有更均勻的形態(tài)。在纖維集合體中，孔形與纖維間距密切相關(guān)。規(guī)則的孔形意味著纖維間距具有更高的各向同性，因此細(xì)胞在支架上向四周鋪展更加均勻；而不規(guī)則的孔形反映纖維間距具有各向異性，細(xì)胞能在某一方向上向周圍的纖維上鋪展，而在另一方向上無(wú)法橋接多根纖維，只能在單根纖維上包裹纏繞，且形態(tài)不規(guī)則。

2.4.2 孔形對(duì)細(xì)胞增殖的調(diào)控

細(xì)胞增殖總量對(duì)孔形的變化并不敏感。文獻(xiàn)[106]指出，支架內(nèi)的孔形對(duì)細(xì)胞增殖總數(shù)量基本無(wú)影響；Rumpler等[107]研究了幾何形狀(三角形、正方形、六邊形和圓形)對(duì)三維組織生長(zhǎng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MC3T3-E1鼠前體成骨細(xì)胞在人造三維基板中形成的新組織的總量與孔形無(wú)關(guān)，而是取決于孔周長(zhǎng)。對(duì)于該研究使用的棱柱形孔，其孔周長(zhǎng)與孔表面積成正比，由此推測(cè)，細(xì)胞增殖總量的決定性因素可能是材料所能夠提供的表面積。該研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在圓形孔道內(nèi)表面的增殖速率處處相同；在其他孔形中，細(xì)胞首先在高曲率的角落區(qū)域快速增殖，直至相鄰角落的細(xì)胞集群相接觸而形成統(tǒng)一的界面，再以處處相同的速度繼續(xù)增殖，如圖8所示。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因，可能是孔道內(nèi)的曲率對(duì)細(xì)胞骨架產(chǎn)生了復(fù)雜的機(jī)械作用，進(jìn)而影響細(xì)胞行為。Bidan等[108]提出，細(xì)胞在孔道中增殖的曲率驅(qū)動(dòng)行為是為了使新生組織處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)，最終細(xì)胞會(huì)趨向于形成一個(gè)均勻圓形界面。雖然上述研究并非都基于高分子纖維及其集合體，但通過(guò)類比可知，細(xì)胞在纖維集合體內(nèi)的局部增殖速率會(huì)受到不同孔形產(chǎn)生的復(fù)雜機(jī)械力的影響。

(a) 三角形孔

(b) 方形孔

(c) 圓形孔

2.4.3 孔形對(duì)細(xì)胞分化的調(diào)控

目前已有研究證實(shí)孔形對(duì)細(xì)胞分化存在一定的調(diào)控作用。Di Luca等[106]分析了間充質(zhì)干細(xì)胞在孔形梯度分布的支架上的分化情況，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在菱形孔和方形孔區(qū)域內(nèi)的分化趨勢(shì)存在明顯差異。然而，目前纖維集合體孔形對(duì)細(xì)胞分化的具體影響機(jī)理尚不明確，原因可能是纖維集合體的不同孔形給予細(xì)胞不同的力學(xué)刺激，而細(xì)胞通過(guò)力學(xué)傳導(dǎo)通路感受刺激并調(diào)節(jié)基因表達(dá)和干細(xì)胞分化[109-110]。

3 結(jié)論與展望

本文從單纖維形貌與纖維集合體結(jié)構(gòu)2個(gè)層次上闡述了高分子纖維材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)控作用。基于單纖維的溝槽結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)與串晶結(jié)構(gòu)能夠顯著增大纖維及其集合體的比表面積與表面粗糙度，有利于細(xì)胞的黏附與增殖；單纖維溝槽結(jié)構(gòu)與纖維集合體的取向通過(guò)給予細(xì)胞各向異性力學(xué)刺激而改變細(xì)胞的鋪展形態(tài)，可調(diào)節(jié)細(xì)胞分化并引導(dǎo)細(xì)胞遷移方向；孔徑、孔隙率是細(xì)胞向纖維集合體內(nèi)部遷移的決定性因素，同時(shí)也對(duì)集合體的物質(zhì)交換能力有著重要的調(diào)控作用；而孔形能夠通過(guò)局部曲率的變化來(lái)調(diào)控細(xì)胞局部增殖速率。

不同組織細(xì)胞對(duì)于支架有著不同的結(jié)構(gòu)偏好，當(dāng)支架各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與天然細(xì)胞外基質(zhì)相類似時(shí)，最適于細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖。這將給予研究者們一定的啟示，即通過(guò)支架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控細(xì)胞行為的關(guān)鍵在于從孔徑、孔隙率、纖維形貌、纖維直徑與取向多個(gè)角度對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行高度模擬，給予細(xì)胞與天然組織類似的微觀環(huán)境，可促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖與組織迅速再生。

在開發(fā)用于誘導(dǎo)組織再生的新型高分子纖維基材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)從所要調(diào)控的細(xì)胞行為出發(fā)，并從纖維與集合體兩個(gè)層次綜合設(shè)計(jì)材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，為促進(jìn)細(xì)胞黏附，選擇串晶纖維與較小的孔徑；為加強(qiáng)對(duì)細(xì)胞遷移方向的引導(dǎo)，選擇溝槽纖維與對(duì)齊的取向。未來(lái)應(yīng)致力于，在不同細(xì)胞種類、細(xì)胞行為與多種材料及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間建立一套完整細(xì)致的關(guān)系系統(tǒng)，這對(duì)于組織誘導(dǎo)性新型高分子纖維及其集合體材料的精細(xì)化設(shè)計(jì)與研究有著重要的指導(dǎo)意義。