用于药物递送系统的电纺纳米纤维

   

Sang Jin Lee*, James J. Yoo, and Anthony Atala
Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, Wake Forest School of Medicine Medical Center Boulevard, Winston-Salem, NC 27157, USA
*Email: sjlee@wakehealth.edu

 

介绍

与口服或全身给药相比,使用可植入装置来局部递送生物活性分子可以减少所需的药物剂量以及非目标部位所造成的毒性。1-3最近,使用高压静电场生成纳米纤维结构的静电纺丝技术已被用于开发药物或蛋白质负载电纺纳米纤维结构,其可以用作新颖的可植入递送系统。 静电纺丝技术提供的仿生细胞环境类似于天然组织中的细胞外基质(ECM),可以实现具有特定组成、结构和生物力学性质的纤维结构维纳受控制造。4-8最近的研究显示,该电纺丝纤维不但具有固有的高表面积/体积比,高互连性,还具有许多优点,包括:(1)高药物负载效率;(2)可以克服大多数聚合物递送系统都有的传质限制;(3)促进药物扩散;(4)改善各种生物活性分子的溶解度。9 将这些生物活性分子封装到电纺丝纤维中,可以实现抗菌剂,抗炎剂,抗痒剂,抗肿瘤剂,免疫抑制剂,生长因子,细胞因子,基因(DNA和RNA),酶,细菌和病毒以及许多其他重要的生物活性成分在目标区域内的定向递送。

 

静电纺丝设备

静电纺丝已被广泛用于合成各种应用用纳米纤维4,6,10-12。其可以精确控制所得生物材料的组成、结构和机械性能。静电纺丝需要高压电源,注射泵,待纺丝的聚合物溶液和接地表面。首先将聚合物溶液与高压电源接触,并使用带有钝头针头注射器的注射泵进行注射。纳米纤维可以收集到一个经特殊设计的接地心轴上,该心轴放置在距针尖特定的某一距离处。通过在静电纺丝过程中控制某些变量,例如聚合物溶液浓度,分子量,电导率,表面张力,流速,距离,收集器几何形状和转速,可以生产具有特定形态、直径和排列的纤维。所得到的电纺纳米纤维具有独特的特征和性质(包括极高的表面积/体积比),可以增强底物与细胞之间的相互作用。 静电纺丝工艺还使得生物活性分子组合可以实现在一个更长的时间段内,在细胞上进行局部给药。10在静电纺丝过程之后保持包封药物或蛋白质的结构完整性和生物活性是非常重要的,因此,人们目前正在探索如何对静电纺丝设备进行改进,以更好地制造改进后的药物递送系统(图1)。3

用于药物/蛋白质递送的不同静电纺丝技术示意图

图1. 用于药物/蛋白质递送的不同静电纺丝技术示意图。A)混合静电纺丝,B) 乳液静电纺丝,C)同轴静电纺丝,D)由聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVP)壳和通过乳液静电纺丝制备的聚碳硅烷(PCS)核构成的核 - 壳结构纳米纤维, 13  E)由同轴静电纺丝制备的聚(ε-己内酯)(PCL)壳和牛血清白蛋白(BSA)负载聚(乙二醇)(PEG)核组成的核 - 壳结构纳米纤维。14

 

对电纺纳米纤维控制释放的调控

由于生物活性分子的释放主要通过扩散发生,人们已经证明电纺纤维中生物活性分子的释放特征可受生物降解性,纤维直径,亲水性,疏水性和构型的影响。10 在我们研究小组最近进行的一项研究中,我们对溶液浓度(图2)、流速、针直径和距离底物的距离等条件进行了精确控制,制造了提取自小牛皮、由各种纤维直径所组成的静电纺丝PCL / I型胶原蛋白支架。6 制备的静电纺丝PCL /胶原支架具有随机取向纤维结构,纤维直径与溶液浓度之间呈线性关系。分配器枕头、收集器和针距之间的距离也会影响纤维直径。

具有不同溶液浓度的电纺PCL /胶原纤维的SEM图像

图2. A)具有不同溶液浓度的电纺PCL /胶原纤维的SEM图像(放大倍数×10K)。 B)静电纺丝PCL /胶原纤维的平均纤维直径取决于溶液浓度。

Okuda等人证明了:5,10,15,20-四苯基21 H,23 H -卟啉四磺酸二硫酸(TPPS)-负载或chromazural B(ChroB)-负载电纺丝纤维的不同释放曲线会得到不同的纤维直径。15 对于负载TPPS的纤维而言,较小纤维(160nm)的持续释放持续时间和稳定准线性释放速率测量值分别为2 h 和4.0 μg/cm2/h,较大纤维(400 nm)分别为4h和2.0μg/cm2/h。 与此类似,在ChroB负载纤维中,较大纤维(290nm)的参数分别为3 h 和 2.7 μg/cm2/h,较小纤维(150nm)分别为1h和4.8μg/ cm 2 / h。 较小的纤维在初始阶段表现出快速药物释放特性。 此外,在释放的药物总量和纤维直径或药物类型方面没有观察到显着差异。 这些结果表明,纤维直径与药物释放速率成反比,并且对递送的药物总量不存在任何可测量到的影响。

我们以前假设蛋白质载体材料的亲水性可以主动影响水扩散通过支架的程度,这与支架释放蛋白质的释放动力学直接相关。16 为了更有效地实现可控蛋白向目标位置的递送,我们开发了一种基于电纺纤维状聚丙交酯共聚物 (PLGA)的新型递送系统 ,其中丙交酯与乙交酯的比例为75:25,分子量为117 kDa,支架上含有可变浓度的Pluronic R F-127(PF-127,PEO-PPO-PEO嵌段共聚物(Sigma货号 P2443)。 PF-127是一种两亲性三嵌段共聚物,可以为聚合物支架提供亲水性。亲水纤维支架可以吸收更多的水;此特性可以促进药物或蛋白质分子从支架中扩散开来。在这个实验中,我们使用BSA(Sigma 货号05470)和肌红蛋白(Sigma货号M5696)作为模型蛋白来研究亲水性对电纺纳米纤维支架释放蛋白质的影响。我们通过将亲水性聚合物PF-127添加到电纺纤维中,显着增加了药物释放的初始爆发速率(p≤0.05),并导致随后的释放速率增加。电纺PLGA纳米纤维的BSA或肌红蛋白的体外释放曲线显示,具有不同亲水性的纤维之间存在显着差异(p≤0.05)(图3)16

电纺PLGA / PF-127支架的单蛋白释放曲线图

图3. 电纺PLGA / PF-127支架的单蛋白释放曲线图。累积释放百分比: A)BSA和 B)肌红蛋白,对应于具有不同浓度PF-127的电纺PLGA支架。 BSA和肌红蛋白的释放可以通过支架亲水性来控制。16

 

使用共混静电纺丝的双蛋白质递送系统

人们以前的研究主要集中在单一生物活性分子的递送,然而,递送具有不同动力学的多种生物活性物质以驱动组织发育这一领域与临床情况更相关。17-21 健康组织和器官的发育取决于包括生长因子、细胞因子等许多生物活性分子在内的协调作用,对已有的血管系统进行快速重新模拟。17此外,实现具有不同释放动力学的生物活性分子的持续释放使得有效的组织再生成为可能22,模仿实际体内组织再生期间的环境有助于组织的有效和快速再生。23,24

我们已经开发出一种新型双蛋白递送系统,使用的是电纺PLGA / PF-127纤维支架。该亲水性支架有可能为多种蛋白质提供不同的缓释曲线。 电纺PLGA纳米纤维的亲水性也可以通过在制造过程中改变PF-127浓度来调节。我们将两种模型蛋白BSA和肌红蛋白成功地并入电纺PLGA / PF-127支架中,使其从支架中逐渐以持续方式释放(图4 )。16 此外,我们通过改变PLGA / PF-127复合支架的亲水性来改变这些蛋白质的释放模式。该共混电纺丝技术可以通过使用两个或多个注射器和电源来结合多种因子。其可以用来对两种或多种聚合物组分进行同时静电纺丝(图5 )。该方法有可能成为组织工程中多种生物活性分子智能生物材料递送支架的理想制造方法。

静电纺丝PLGA / PF-127支架中两种蛋白质的释放曲线

图4. 静电纺丝PLGA / PF-127支架中两种蛋白质的释放曲线。共混电纺PLGA / PF-127支架中BSA (A,B)和肌红蛋白(C,D)的累计释放量。 1)PLGA-纯 +含2wt%蛋白质(BSA或肌红蛋白)的PLGA; 2)PLGA-纯 +含2wt%蛋白质的PLGA / 10%PF-127;3)含2wt%蛋白质的PLGA +含2wt%蛋白质的 PLGA / 10%PF-127 (B,D)。 (1)+(2)和(3)之间没有显着差异。 这表明共混电纺丝支架可以按照指定的释放动力学递送多种因子。16

含有不同荧光染料DiIC(红色)和DiOC(绿色)的功能化电纺丝纤维的荧光图像

图5. 含有不同荧光染料DiIC(红色)和DiOC(绿色)的功能化电纺丝纤维的荧光图像。共混静电纺丝技术显示出了混合纤维结构,同时含有红色和绿色标记纤维。

 

三维组织工程支架

静电纺丝已经发展成为了组织工程中的一种强大工具。该制造技术提供了控制诸如生物材料组成,纤维直径,纤维排列,几何形状以及支架中的药物/蛋白质掺入程度等特性的能力。 静电纺丝得到的纳米纤维可以支持多种细胞类型的粘附和增殖。 更重要的是,这些细胞在这些纳米纤维支架上可以保持表型和功能特征。25 此外,一些最近的研究表明,微米到纳米尺度的形貌会直接影响粘附、增殖、取向(图626 和培养基中细胞的存活。27 因此,对静电纺丝纳米纤维支架进行研究可以促进我们对细胞相互作用的拓扑学领域的理解,并指导未来再生医学中的组织形成。此外,这些支架可以通过添加生物化学和机械链端(例如用生物活性分子表面修饰以增强组织工程应用的细胞相互作用)来实现功能化。尽管我们尚未完全了解细胞和功能化静电纺丝支架之间的特异性相互作用,但可以增强细胞粘附、增殖和指导其在支架上接种的特异性修饰,以及可能影响宿主细胞浸润、分化和体外和体内血管形成的特异性修饰对于组织工程应用的发展而言至关重要。

电纺PCL/胶原纳米纤维上骨骼肌细胞F-肌动蛋白的免疫荧光图像

图6. 电纺PCL /胶原纳米纤维上骨骼肌细胞F-肌动蛋白的免疫荧光图像: A)培养皿,B)随机取向,C)对齐的电纺纳米纤维(×40放大率)。骨骼肌细胞F-肌动蛋白在,D)随机取向以及,E)定向电纺纳米纤维(×600放大倍数)上的激光共聚焦显微镜图像。26

 

结论和未来展望

通过提供控制材料组成,纤维直径和几何形状,静电纺丝已成为药物/蛋白质递送中的重要工具,其可以影响电纺丝纤维释放生物活性分子的释放曲线。生物活性分子可以使用物理吸附、共混静电纺丝、乳液静电纺丝、同轴静电纺丝以及静电纺丝后的表面固定化等方式结合到电纺纤维中。此外,静电纺丝产生的纳米级纤维结构可用于改善细胞之间的相互作用,包括细胞粘附、增殖、分化和ECM产生,从而控制支架组成、结构和机械性能。由此得到的电纺纳米纤维支架具有独特的特征和性质(包括极高的表面积/体积比),可以增强支架内的细胞活性。 此外,三维电纺纳米纤维支架的高孔隙率和互连性为细胞浸润和附着提供了有利的环境。电纺纳米纤维的独特特性使得这些材料成为了一种将来用于增强药物递送和组织工程应用,实现多种生物活性因子递送的,非常有前景的载体。

 

致谢

我们感谢Heather Hatcher博士的编辑帮助。本研究的部分支持资金来自:能源部(DE-FG02-09ER64711)、美国陆军医疗研究与装备司令部(U.S. Army Medical Research and Materiel Command)下属远程医疗和先进技术研究中心(TATRC)的奖励W81XWH- 07-1 -0718 。

 

参考文献

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