《ACS Omega》：Electrospun 3D Nanofiber Scaffolds with Adhesion-Enhanced Interfaces for Cell Culture
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该研究创新性地提出了一种仿生蜘蛛“空中飞航”（ballooning）的重力对抗静电纺丝策略，结合丹宁酸（TA）交联的丝胶蛋白（SS）表面功能化，构建了具有仿生细胞外基质（ECM）结构的三维（3D）聚苯乙烯（PS）纳米纤维支架。该PS3D/TA/SS支架克服了传统PS的疏水性，展现出高比表面积、优异润湿性和生物相容性，显著促进了人永生化角质形成细胞（HaCaT）的黏附、迁移和增殖，为皮肤组织工程和再生医学提供了一种简单、高效的3D细胞培养平台。
引言：构建具有空间扩展性和生物活性的三维（3D）多孔支架是组织工程领域的一项长期挑战。传统的二维（2D）平面纤维毡在模拟细胞外基质（ECM）和促进细胞三维生长方面存在局限。具有互联孔隙结构的3D支架为细胞浸润、血管化和营养物质交换提供了充足空间。有趣的是，自然界中蜘蛛的“空中飞航”现象与静电纺丝过程共享类似的静电排斥原理，为构建自支撑、重力对抗的3D结构提供了仿生灵感。然而，常用的合成聚合物如聚苯乙烯（PS），虽易于通过静电排斥快速堆积形成3D纤维结构，但其固有的疏水性和生物惰性限制了其在细胞交互平台中的应用。本研究旨在克服这些限制，通过仿生静电纺丝与表面生物功能化相结合，构建适用于再生医学的生物活性3D支架。
蜘蛛丝仿生静电纺丝制备三维PS结构：研究利用高压静电场实现类似于蜘蛛丝静电排斥的机制。在电纺系统中，带负电的收集器吸引带正电的PS射流。随着纤维垫在表面累积并获得相同负电荷，到达的纤维与现有层之间产生静电排斥，导致纤维结构水平扩展，在无需辅助模板的情况下，几分钟内即可形成厘米级的、能抵抗重力塌陷的自支撑3D蓬松支架。为了获得可控的3D结构，研究人员优化了PS溶液浓度、工作距离、流速和施加电压等参数。最终确定的优化制造条件为：15% (w/v) PS纺丝液，18 kV电压，15 cm工作距离，0.05 mL min-1纺丝速率。
PS3D/TA/SS支架的制备与表征：为了改善PS支架的疏水性并引入生物活性，研究采用了一种简单的生物相容性涂层策略：使用丹宁酸（TA）作为物理交联剂，丝胶蛋白（SS）作为生物活性涂层。TA富含酚羟基，可通过π-π堆积牢固吸附在PS表面，同时作为氢键供体；而SS含有大量羧基，可作为氢键受体，两者通过非共价相互作用形成稳定涂层。流变学分析表明，TA/SS涂层溶液表现出类弱凝胶的准弹性行为和剪切稀化特性，这有利于在3D电纺PS支架上通过浸涂形成均匀、稳定的薄涂层，且不破坏多孔结构。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析证实了TA在PS纤维上的成功涂覆，以及TA与SS之间氢键的形成。力学性能测试显示，与原始PS3D相比，PS3D/TA/SS支架的拉伸强度有所增强，归因于TA与SS之间的分子间相互作用改善了纤维网络的结构完整性。
表面润湿性与比表面积分析：水接触角测量表明，未经处理的PS3D高度疏水，接触角为119.7 ± 1.0°。经TA和TA/SS改性后，接触角分别显著降至7.9 ± 2.3°和39.2 ± 2.7°，表面润湿性得到极大改善。这主要归因于TA的酚羟基和SS的胺基、羟基、羧基、羰基等亲水性官能团的引入，以及扫描电子显微镜（SEM）观察到的涂层使纤维表面变得更加光滑。Brunauer–Emmett–Teller (BET)比表面积分析显示，PS3D和PS3D/TA/SS支架均具有较高的比表面积（分别为40.882 ± 4.832和35.451 ± 1.699 m2g-1），且无显著差异，表明SS涂层过程并未阻碍多孔结构的形成。氮气吸附-脱附等温线表明两者均为具有中孔结构（孔径<20 nm）的IV型等温线，并伴有H1型滞后环。这种中孔结构和高比表面积有利于细胞响应和生物活性。
PS3D/TA/SS的生物相容性评估：以人永生化角质形成细胞（HaCaT）为模型，评估了支架的生物相容性。细胞计数试剂盒-8（CCK-8）实验表明，与未涂层的PS3D相比，PS3D/TA和PS3D/TA/SS支架显著增强了HaCaT细胞的初始黏附，并在培养3天后促进了细胞增殖。活/死细胞染色结果显示，在第3天，所有支架上的细胞均显示出高存活率（绿色荧光），死细胞（红色荧光）极少见，证明了3D电纺PS基质优异的生物相容性。值得注意的是，在PS3D/TA/SS纤维基质上，细胞分布更均匀，能够渗透到支架内部，并展现出良好的迁移能力，而在PS3D和PS3D/TA表面，细胞倾向于形成小的岛状簇。这种差异归因于PS3D/TA/SS表面适宜的润湿性以及SS提供的丰富可带电官能团（胺基、羟基、羧基、羰基），它们通过氢键和范德华力强化了细胞-支架相互作用。
结论：本研究成功开发了一种仿生蜘蛛丝“空中飞航”现象的重力对抗静电纺丝技术，仅使用单一基础材料（PS）即可制备空间扩展的自支撑3D结构。通过TA介导的SS涂层策略对支架进行表面生物功能化，有效改善了PS的疏水性，引入了生物活性，且未损害其中孔结构和高比表面积。所制备的PS3D/TA/SS支架具有细胞友好的表面特性，支持细胞均匀分布、增强黏附和促进增殖，并能促进角质形成细胞在整个3D基质中的浸润，为强大的组织长入提供了条件。这些结果表明，仿生PS3D/TA/SS支架在皮肤组织工程的体外研究和临床应用方面具有巨大潜力。此外，该平台为需要空间组织和生物活性支架的3D细胞培养及先进纤维生物材料的开发提供了一个广泛适用的框架。
