[论文解读] Fabrication and properties of L-arginine-doped PCL electrospun composite scaffolds

Semen Goreninskii, Evgeny Bolbasov+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2017

Electrospun Nanofibers in Biomedical Applications参考文献 14被引用 11

一句话总结

本研究采用六氟-2-丙醇作为通用溶剂，制备了L-精氨酸掺杂的聚(ε-己内酯)（PCL）电纺支架，结果表明，随着L-精氨酸含量（0.5–1 wt.%）的增加，纤维强度和杨氏模量提高，同时间充质干细胞的黏附性和活力也得到改善。支架的孔隙率和水接触角保持一致，0.5–1% L-精氨酸时生物性能最佳。

ABSTRACT

The article describes fabrication and properties of composite fibrous scaffolds obtained by electrospinning of the solution of poly({\epsilon}-caprolactone) and arginine in common solvent. The influence of arginine content on structure, mechanical, surface and biological properties of the scaffolds was investigated. It was found that with an increase of arginine concentration diameter of the scaffold fibers was reduced, which was accompanied by an increase of scaffold strength and Young modulus. It was demonstrated that porosity and water contact angle of the scaffold are independent from arginine content. The best cell adhesion and viability was shown on scaffolds with arginine concentration from 0.5 to 1 % wt.

研究动机与目标

• 开发可生物降解的L-精氨酸掺杂PCL复合支架，用于心血管组织工程。
• 通过使用六氟-2-丙醇作为通用溶剂，克服PCL与L-精氨酸之间溶剂不相容的局限性。
• 研究L-精氨酸浓度对电纺PCL支架的结构、机械性能、表面性质及生物性能的影响。
• 确定能增强细胞黏附性和活力而不损害支架完整性的最佳L-精氨酸浓度。
• 建立一种可扩展的方法，用于制备具有持续一氧化氮释放潜力的功能化、生物活性PCL基纤维支架。

提出的方法

• 采用NANON-01系统在20 kV电压、2 mL/h进料速率和150 mm针头到收集板距离下制备电纺PCL/L-精氨酸复合支架。
• 使用六氟-2-丙醇作为通用溶剂，溶解PCL（Mw = 80 kDa）和L-精氨酸（≥99%），浓度分别为0、0.1、0.5、1、3和7 wt.%。
• 通过扫描电子显微镜（SEM）和ImageJ软件分析纤维形貌和直径分布。
• 采用静滴法（EasyDrop，Kruss）测量水接触角，评估表面润湿性。
• 使用1%的乙醇中茚三酮溶液确认表面L-精氨酸的存在，并通过差示扫描量热法（DSC，20–120 °C）分析热行为。
• 通过单轴拉伸试验（Instron 3369）在10 mm/min应变速率下测量机械性能（杨氏模量、抗拉强度、伸长率）。
• 采用液体侵入法测量孔隙率，并通过公式Xc = (∆Hm / ∆Hm⁰) × 100%计算结晶度，其中∆Hm⁰ = 135.5 J/g（100%结晶PCL）。
• 生物评价包括MMSC黏附性和活力检测，统计分析采用非参数Kruskal-Wallis检验和Mann-Whitney U检验（p < 0.05）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在PCL电纺溶液中增加L-精氨酸浓度如何影响纤维直径和形貌？
• RQ2 L-精氨酸掺杂对PCL支架的机械性能（杨氏模量、抗拉强度、伸长率）有何影响？
• RQ3 L-精氨酸含量如何影响支架的孔隙率和表面润湿性（水接触角）？
• RQ4 哪种L-精氨酸浓度能最大程度提高PCL支架上间充质干细胞的黏附性和活力？
• RQ5 L-精氨酸的引入如何影响复合支架的热行为和结晶度？

主要发现

• L-精氨酸浓度从0%增加到7% wt.时，平均纤维直径减小，且纤维直径分布由双峰型转变为单峰型。
• 随着L-精氨酸掺杂，支架的杨氏模量显著提高，在7%精氨酸时达到34 ± 3 MPa，相比纯PCL的18 ± 3 MPa提高了83%。
• 在1% L-精氨酸时观察到最大抗拉强度（14 ± 1 MPa），而伸长率在7%时最高（176 ± 23%），表明高掺杂水平下韧性增强。
• 所有L-精氨酸浓度下，支架的孔隙率和水接触角基本保持不变，表明表面能或支架结构未发生显著变化。
• 在0.5% L-精氨酸时观察到最多黏附的间充质干细胞（107 ± 32 cells/mm²）和最佳活力（71.6 ± 2.3%），与纯PCL（52 ± 16 cells/mm²）相比黏附性显著提高。
• 在7% L-精氨酸时，活力下降至50.0 ± 7.7%，凋亡率增加至27.6 ± 4.5%，表明高浓度下具有细胞毒性，因此确认0.5–1%为最佳范围。