Cấu trúc, tính chất sợi polymer electrospun và ứng dụng y sinh

Quá trình electrospinning bắt đầu với dung dịch polymer trong kim tiêm. Điện áp cao được áp dụng giữa kim và bản thu. Điện trường tạo lực tác động lên giọt dung dịch. Khi lực điện vượt qua sức căng bề mặt, tia polymer phun ra. Dung môi bay hơi trong quá trình bay, để lại sợi rắn. Sợi nano được thu trên bản thu dưới dạng màng không dệt. Tốc độ bay hơi dung môi ảnh hưởng đến cấu trúc sợi cuối cùng.

Nanofiber có tỷ lệ diện tích/thể tích cực lớn. Cấu trúc xốp tạo điều kiện trao đổi chất hiệu quả. Sợi nano mô phỏng cấu trúc collagen tự nhiên. Tính linh hoạt trong lựa chọn vật liệu polymer đa dạng. Chi phí sản xuất thấp so với các phương pháp khác. Quy trình đơn giản, dễ mở rộng quy mô sản xuất.

Điện áp quyết định lực kéo dãn polymer. Nồng độ dung dịch ảnh hưởng đến độ nhớt. Tốc độ bơm kiểm soát lượng vật liệu cung cấp. Khoảng cách điện cực xác định thời gian bay hơi. Độ ẩm môi trường tác động đến hình thái bề mặt. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi dung môi. Khối lượng phân tử polymer quyết định khả năng tạo sợi.

Đường kính sợi phụ thuộc vào nồng độ dung dịch. Nồng độ thấp tạo sợi nhỏ, nồng độ cao tạo sợi lớn. Điện áp cao làm giảm đường kính sợi. Khoảng cách điện cực tối ưu cho sợi đồng nhất. Tốc độ bơm chậm tạo sợi mịn và đều. Hình dạng sợi có thể tròn hoặc dẹt. Bề mặt sợi biến đổi từ nhẵn đến nhiều lỗ xốp.

Độ bền kéo phụ thuộc vào polymer và độ xốp. Scaffold có độ đàn hồi cao phù hợp cho mô mềm. Độ bền uốn quan trọng cho ứng dụng cấy ghép. Tính chất cơ học thay đổi theo hướng sợi. Sự sắp xếp ngẫu nhiên tạo tính đẳng hướng. Sợi định hướng tăng độ bền theo trục chính.

Độ ẩm cao tạo lỗ xốp trên bề mặt sợi. Cơ chế tách pha gây ra hiện tượng này. Nhiệt độ thấp làm chậm bay hơi dung môi. Điều kiện môi trường ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể. Lỗ xốp bề mặt tăng diện tích tiếp xúc với tế bào. Kiểm soát độ ẩm tạo hình thái mong muốn.

PCL có nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ electrospinning. Thời gian phân hủy kéo dài 2-3 năm trong cơ thể. PLA có hai dạng đồng phân L và D. PLGA là copolymer của PLA và PGA. Tỷ lệ LA/GA điều chỉnh tốc độ phân hủy. Các polymer này được FDA chấp thuận cho y tế. Tính chất cơ học đa dạng phù hợp nhiều ứng dụng.

Collagen là thành phần chính của ma trận ngoại bào. Gelatin từ collagen thủy phân, dễ xử lý hơn. Chitosan có nguồn gốc từ vỏ động vật giáp xác. Silk fibroin có độ bền cao và phân hủy chậm. Protein tự nhiên có tín hiệu sinh học sẵn có. Tế bào nhận diện và tương tác tốt với các polymer này.

Vật liệu không gây phản ứng viêm cấp tính. Không có độc tính tế bào hoặc toàn thân. Sản phẩm phân hủy được cơ thể đào thải an toàn. Bề mặt scaffold hỗ trợ bám dính tế bào. Cấu trúc xốp cho phép tế bào xâm nhập. Tính chất cơ học phù hợp với mô đích.

Protein ECM cải thiện môi trường cho tế bào. Fibronectin thúc đẩy sự bám dính và di chuyển tế bào. Collagen type I hỗ trợ hình thành mô liên kết. Peptide RGD nhỏ gọn, dễ gắn kết hơn protein. Nồng độ peptide ảnh hưởng đến đáp ứng tế bào. Phân bố đồng đều peptide quan trọng cho hiệu quả.

Growth factor điều hòa hoạt động tế bào. VEGF kích thích tạo mạch máu mới. BMP-2 thúc đẩy tạo xương từ tế bào gốc. Heparin bảo vệ growth factor khỏi phân hủy. Liên kết heparin-growth factor kéo dài hoạt tính. Giải phóng kiểm soát duy trì nồng độ hiệu quả lâu dài.

Hấp phụ vật lý dựa trên tương tác tĩnh điện. Liên kết covalent qua nhóm chức amine hoặc carboxyl. Plasma treatment tạo nhóm chức trên bề mặt sợi. Coating với polymer mang điện tích tăng hấp phụ. Coaxial electrospinning đóng gói phân tử vào lõi. Tốc độ giải phóng điều chỉnh bởi vỏ polymer.

Scaffold da cần độ xốp cao cho trao đổi oxy. Cấu trúc nano thúc đẩy di chuyển keratinocyte. Fibroblast sản xuất collagen mới trên scaffold. Tốc độ phân hủy phù hợp với tốc độ lành vết thương. Gắn kết EGF tăng tốc độ tái tạo biểu mô. Kháng sinh trên scaffold phòng ngừa nhiễm trùng vết thương.

Scaffold xương cần độ cứng và độ xốp cao. Ceramic nano tăng tính osteoconductivity. Tế bào gốc trung mô phân hóa thành osteoblast. BMP-2 gắn kết thúc đẩy tạo xương nhanh. Scaffold sụn mềm hơn, chứa GAG. Chondrocyte duy trì kiểu hình trong cấu trúc 3D.

Scaffold tim cần tính dẫn điện và co giãn. Sợi định hướng tạo cấu trúc anisotropic như cơ tim. Scaffold mạch máu nhỏ thay thế động mạch vành. Nội mô hóa bề mặt trong phòng ngừa huyết khối. Scaffold thần kinh hướng dẫn tái sinh axon. NGF gắn kết thúc đẩy phát triển neuron.

Integrin liên kết với trình tự RGD trên protein. Focal adhesion hình thành tại điểm tiếp xúc. Cytoskeleton tổ chức lại sau khi bám dính. Tế bào lan rộng tạo diện tích tiếp xúc lớn. Tốc độ bám dính phụ thuộc protein trên bề mặt. Mật độ tế bào ban đầu ảnh hưởng đến phân bố.

Sợi định hướng tạo hình thái tế bào kéo dài. Tế bào gốc trung mô nhạy cảm với độ cứng. Scaffold cứng 25-40 kPa thúc đẩy tạo xương. Scaffold mềm 0.1-1 kPa thúc đẩy tạo thần kinh. Kích thước lỗ xốp ảnh hưởng di chuyển tế bào. Lỗ lớn cho phép xâm nhập sâu hơn.

Fibroblast tiết collagen type I và III. Chondrocyte sản xuất collagen type II và aggrecan. Osteoblast tiết collagen type I và khoáng hóa. Tốc độ sản xuất ECM cân bằng với phân hủy scaffold. ECM mới tích hợp với sợi polymer còn lại. Mô trưởng thành dần thay thế hoàn toàn scaffold.