為對比兩種聚乳酸改性材料聚乳酸-殼聚糖(PLA-CTS)和聚乳酸-乙醇酸(PLA-PGA)的特性,本實驗分別制備PLA-CTS和PLA-PGA支架,電鏡下觀察支架形態,計算孔隙率,測定支架降解后溶液的pH值。同時培養大鼠嗅鞘細胞(OECs),分別與兩種支架混合培養,同時將單純培養的OECs做為對照組,測定并比較兩種支架上OECs的增殖力、黏附率,并在熒光鏡下觀察支架上OECs的生長情況。結果顯示,制備的PLA-CTS和PLA-PGA支架均為多孔立體結構,PLA-CTS支架孔隙率為91%,PLA-PGA支架孔隙率為87%。隨著時間延長,支架降解液的pH值逐漸下降,而PLA-PGA的下降速度要快于PLA-CTS。OECs接種到兩種支架后,大多數能在支架上生長良好,MTT檢測及熒光顯微鏡下觀察細胞核數目兩組差異無統計學意義,但PLA-CTS組的細胞黏附率要明顯高于PLA-PGA。結論表明與PLA-PGA相比,PLA-CTS可能是做為OECs支架更佳的材料。
引用本文: 王玲玲, 崔志明, 徐冠華, 李衛東, 保國鋒, 孫郁雨, 張金龍. 兩種聚乳酸改性材料的體外對比實驗研究. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(5): 911-915. doi: 10.7507/1001-5515.20160147 復制
引言
在組織工程方法修復神經損傷的研究中,理想的細胞支架應與種子細胞有良好的生物相容性,并有能滿足移植需要的三維孔隙結構和降解速度等。聚乳酸[poly(1actic acid),PLA]是一種可完全降解的聚酯類化合物,對環境污染小,是少數被美國食品藥品監督管理局批準的生物降解醫用材料之一[1]。但單純的PLA一方面熱穩定性較差,另一方面其大分子鏈中不含可反應活性基團而導致親水性差、降解速度慢以及不利于細胞在材料表面黏附和生長等,因此許多學者對PLA進行了改性研究以擴大其應用范圍[2]。
嗅鞘細胞(olfactory ensheathing cells,OECs)是目前較常見被選擇用于脊髓損傷修復的種子細胞[3-4]。我們分別使用殼聚糖和乙醇酸對聚乳酸進行改性,制備聚乳酸-殼聚糖復合支架(PLA modified by chitosan,PLA-CTS)以及聚乳酸-乙醇酸支架[poly(lactic-co-glycolic acid),PLA-PGA],并在既往研究中證實了PLA-PGA與大鼠OECs有著良好的生物相容性[5]。在進一步的研究中我們將以上兩種支架進行對比,從而為OECs移植治療脊髓損傷選擇更為理想的支架材料奠定基礎。
1 材料與方法
1.1 PLA-CTS支架的制備
將重量比例為10:3的聚乳酸、300目殼聚糖(脫乙酰度在90%以上)和一定重量的40~60目的NaCl顆粒置于真空密閉系統中,在130 ℃下強力攪拌30 min后,置于無菌、粗糙的聚四氟乙烯板擠壓成型,投入蒸餾水中,攪拌,浸出NaCl,真空干燥備用。
1.2 PLA-PGA支架的制備
將特性黏度(intrinsic viscosity,IV)=2.0 dL/g,LA:GA=75:25的PLA-PGA溶于氯仿中配制成10%(w/v)的溶液,倒入模具中,液高為0.5 mm,按10:1的質量比將直徑為150~200 μm的NaCl顆粒加入溶液中,攪拌混勻后倒入模具中,加壓低熱后脫模,用蒸餾水濾去NaCl,真空干燥后備用。
1.3 電鏡觀察
分別取直徑2 mm PLA-CTS和PLA-PGA支架標本置入2.5%戊二醛溶液固定1周。用0.1 mmol/L的磷酸緩沖鹽溶液(phosphate buffer saline,PBS)沖洗標本,再用1%鋨酸固定,丙酮逐級脫水,環氧丙烷與Epon812環氧樹脂包埋。經半薄切片定位后作超薄切片(2 μm),醋酸鈾染色,加速電壓80.0 kV下用JEM-1230型透射電子顯微鏡觀察、照相并測量孔徑。
1.4 孔隙率檢測
采用乙醇替代法測定[6]:將支架材料置于乙醇中,循環抽真空,原乙醇體積記為V1,材料和乙醇的總體積記為V2,那么支架固體的實際體積為(V2-V1)。將含乙醇的支架移出后所剩乙醇體積記為V3,那么(V1-V3)也就是材料中所含乙醇的體積,可以視為材料孔隙所占的體積,支架總體積為(V2-V1)+(V1-V3)=V2-V3,所以支架的孔隙率可以用(V1-V3)/(V2-V3)計算。
1.5 體外降解檢測
分別將0.5 g的兩種支架置于20 mL初始pH值為7.4的PBS溶液中,放入37 ℃恒溫箱內,用酸度計每周測量支架在體外降解過程中PBS溶液pH值的變化。
1.6 OECs原代培養及純化
采用崔穎等[5]的方法,將1~3 d齡SD大鼠腹腔麻醉后斷頭,分離并剪碎雙側嗅球后加入0.125%胰酶置于37 ℃、5% CO2培養箱中消化20 min。反復吹打后用加入10%胎牛血清(fetal calf serum,FBS)的基礎培養液中止消化5min。篩網濾過后收取細胞懸液離心10 min,吹打均勻。再次離心后加入含10%FBS的完全培養液,制成單細胞懸液。錐蟲藍染色計數后以1×106個/mL密度接種于培養瓶中,置于37 ℃、5% CO2培養箱18 h后轉種于另一培養瓶,繼續培養36 h后再次離心,加入10% FBS完全培養液和阿糖胞苷。培養48 h后棄上清,用DMEM/F12沖洗后吸至刻度離心管離心,加入完全培養液吹打均勻。
1.7 支架與OECs的共同培養
接種細胞前,支架均用70%的乙醇滅菌,再用無菌生理鹽水清洗3次,最后經紫外燈照射20 min。將濃度為1×106個/mL的純化OECs懸液接種于培養板各孔內PLA-CTS支架上作為PLA-CTS組;接種于PLA-PGA支架上作為PLA-PGA組,同時另將OECs接種于多聚賴氨酸(ply-L-lysine,LL)包被的圓玻片上作為對照組,三組均置于37 ℃、5% CO2飽和濕度的培養箱中培養,每3天半量換液。
1.8 OECs在支架上的細胞增殖力檢測
3組均于共培養1、3、5、7 d后取6孔每孔加入5 mg/mL MTT溶液,37 ℃孵育4 h,終止培養,棄上清液,再加入二甲基亞砜振蕩溶解結晶,用酶標儀測570 nm OD值。以時間(d)為橫坐標,OD值為縱坐標繪制細胞生長曲線,對3組OD值進行比較。
1.9 細胞吸附率測定
PLA-CTS和PLA-PGA組每4孔計為1個樣本,培養1周,取出載體,用2.5 g/L胰酶消化后,加培養液反復沖洗,離心收集細胞,加培養液制成0.1 mL細胞懸液,計數,記為吸附細胞數,對應孔內剩余細胞消化、收集、計數,記為游離細胞數。吸附率=吸附細胞數/(吸附細胞數+游離細胞數)×100%。
1.10 切片及熒光染色
OECs接種7 d后吸出培養液,加入100%甲醇于-20 ℃固定10 min,0.01 mol/L PBS(pH 7.3)清洗后用含4%多聚甲醛的0.01 mol/L PBS(pH 7.3)固定15 min,倒去固定液后PBS清洗并用10%山羊血清室溫下封閉4 h。將PLA-CTS和PLA-PGA組支架行冰凍連續切片,片厚15 μm,每組各收集切片5套,每套取前、中、后切片各一張,陰干用Hoechst 33342進行染色,5 min后PBS洗3次,每次3 min。每張切片在熒光顯微鏡下隨機抽取5個視野,計算切片上細胞核數量后取平均值并比較。另用小鼠抗大鼠S-100抗體標記對照組及兩個支架組在熒光顯微鏡下做形態學觀察。
1.11 統計學分析
實驗計量資料以均數±標準差(x±s)表示,使用SPSS17.0統計軟件進行配對t檢驗和單因素方差分析,以P < 0.05表示差異有統計學意義。
2 結果
2.1 電鏡觀察和孔隙率檢測
電鏡下可見PLA-CTS和PLA-PGA支架均為多孔狀的立體結構,孔隙均勻,PLA-CTS支架孔隙率為91%,孔徑為30~50 μm,PLA-PGA支架孔隙率為87%,孔徑為40~80 μm,如圖 1所示。

2.2 體外降解檢測
在PBS溶液中,支架溶液的pH值隨降解時間的變化關系如圖 2所示,可見隨著時間的推移,支架逐漸降解,降解液的pH值逐漸下降,而PLA-PGA的下降速度要快于PLA-CTS。

2.3 細胞增殖力檢測結果
各組的細胞生長曲線如圖 3所示,3組各時間點OD值比較無明顯差異(P > 0.05),提示PLA-CTS和PLA-PGA與OECs均具有良好的相容性。

2.4 細胞吸附率測定
兩組的細胞吸附率如表 1所示,PLA-CTS組細胞吸附率為35.6%,PLA-PGA組為19.1%(P < 0.05),提示PLA-CTS的細胞吸附率明顯高于PLA-PGA。

2.5 免疫熒光染色
鏡下可見對照組及兩組支架上的OECs均正常生長,突起伸長,其形狀基本可區分為雙極細胞、三極細胞、扁圓細胞和不規則三角形細胞四種類(如圖 4所示)。PLA-CTS組的細胞核數量為(44.4±3.1)個/視野,PLA-PGA組為(43.5±3.6)個/視野,兩組間比較無明顯差異(P > 0.05)。

3 討論
在組織工程研究中,合適的支架做為載體可以為細胞提供良好的生長代謝環境,并有助于新的功能組織重塑[7-9]。PLA由于具有生物相容性好、可在體內完全降解等優點,已被美國食品藥品監督管理局批準應用于人體,而在脊髓組織工程的研究中也常被用來做為種子細胞載體。然而,PLA所制成的材料力學強度低、降解的產物呈酸性等特點限制了其進一步應用。為彌補PLA單一材料的不足,學者們嘗試用不同方法對PLA進行改性以擴大其應用范圍[10]。
PLA-PGA由不同比例的乳酸與乙醇酸聚合而成,是較早在組織工程領域得到應用的PLA改性支架[11-12],并在脊髓損傷的研究中得到較多應用。Moore等[13]將PLA-PGA多通道支架與施旺細胞聯合移植入脊髓橫斷的大鼠體內,一個月后發現較多的再生軸突沿著支架通道生長。Xia等[14]將PLA-PGA支架與神經干細胞及施旺細胞復合移植入大鼠半切脊髓損傷模型中,亦發現移植后神經功能得到明顯恢復,并能促進軸突再生。這些研究表明PLA-PGA可以做為多種種子細胞的載體。我們在既往的研究中也證明PLA-PGA與OECs有著良好的生物相容性。
殼聚糖屬于堿性多糖,是一種天然生物材料,可被制成多孔支架,有良好的降解特性。殼聚糖的結構和某些性質與氨基多糖極為相似,而氨基多糖是細胞外基質中的主要成分。此外,由于殼聚糖表面帶高密度的正電荷,因此有利于帶負電荷的各類細胞非特異性黏附。所以,殼聚糖在脊髓、骨以及皮膚等組織工程研究中都得到了廣泛應用[15-17]。用一定方法將殼聚糖與PLA制成復合支架,既可中和PLA的酸性降解產物,又可提高細胞的黏附率。我們在研究中也發現制備的PLA-CTS體外降解后溶液pH值的下降速度慢于PLA-PGA,更偏于中性,因此相對PLA-PGA支架應該更有利于細胞生長,尤其是對環境酸堿度敏感的細胞。
Li等[18]將PLA用殼聚糖改性制成復合支架,并與人成骨細胞在體外共培養,發現細胞在支架上的黏附、生長和分化情況均要優于細胞與單純PLA混合培養組。Shalumon等[19]制備PLA-CTS靜電紡絲,并發現人皮膚成纖維細胞能在紡絲上定向生長。Zhang等[20]將制備的PLA-CTS復合支架與骨髓基質干細胞混合培養,發現兩者有良好的相容性。這些研究表明PLA-CTS復合支架可以做為多種種子細胞的載體并有著良好的生物相容性。
我們在實驗中將OECs與PLA-PGA和PLA-CTS混合培養,結果表明OECs在兩種支架上均能存活,兩組的細胞數量無明顯差異,但PLA-CTS支架的細胞黏附率明顯高于PLA-PGA支架,提示PLA-CTS支架的環境可能更有利于OECs生長。
因此,我們認為OECs與PLA-CTS和PLA-PGA支架均有著良好的生物相容性,但由于PLA-CTS支架的降解產物更偏中性,與OECs有著更高的黏附率,因而認為PLA-CTS可能是作為OECs生長支架更合適的材料,當然,進一步的結論有待于體內研究證實。
引言
在組織工程方法修復神經損傷的研究中,理想的細胞支架應與種子細胞有良好的生物相容性,并有能滿足移植需要的三維孔隙結構和降解速度等。聚乳酸[poly(1actic acid),PLA]是一種可完全降解的聚酯類化合物,對環境污染小,是少數被美國食品藥品監督管理局批準的生物降解醫用材料之一[1]。但單純的PLA一方面熱穩定性較差,另一方面其大分子鏈中不含可反應活性基團而導致親水性差、降解速度慢以及不利于細胞在材料表面黏附和生長等,因此許多學者對PLA進行了改性研究以擴大其應用范圍[2]。
嗅鞘細胞(olfactory ensheathing cells,OECs)是目前較常見被選擇用于脊髓損傷修復的種子細胞[3-4]。我們分別使用殼聚糖和乙醇酸對聚乳酸進行改性,制備聚乳酸-殼聚糖復合支架(PLA modified by chitosan,PLA-CTS)以及聚乳酸-乙醇酸支架[poly(lactic-co-glycolic acid),PLA-PGA],并在既往研究中證實了PLA-PGA與大鼠OECs有著良好的生物相容性[5]。在進一步的研究中我們將以上兩種支架進行對比,從而為OECs移植治療脊髓損傷選擇更為理想的支架材料奠定基礎。
1 材料與方法
1.1 PLA-CTS支架的制備
將重量比例為10:3的聚乳酸、300目殼聚糖(脫乙酰度在90%以上)和一定重量的40~60目的NaCl顆粒置于真空密閉系統中,在130 ℃下強力攪拌30 min后,置于無菌、粗糙的聚四氟乙烯板擠壓成型,投入蒸餾水中,攪拌,浸出NaCl,真空干燥備用。
1.2 PLA-PGA支架的制備
將特性黏度(intrinsic viscosity,IV)=2.0 dL/g,LA:GA=75:25的PLA-PGA溶于氯仿中配制成10%(w/v)的溶液,倒入模具中,液高為0.5 mm,按10:1的質量比將直徑為150~200 μm的NaCl顆粒加入溶液中,攪拌混勻后倒入模具中,加壓低熱后脫模,用蒸餾水濾去NaCl,真空干燥后備用。
1.3 電鏡觀察
分別取直徑2 mm PLA-CTS和PLA-PGA支架標本置入2.5%戊二醛溶液固定1周。用0.1 mmol/L的磷酸緩沖鹽溶液(phosphate buffer saline,PBS)沖洗標本,再用1%鋨酸固定,丙酮逐級脫水,環氧丙烷與Epon812環氧樹脂包埋。經半薄切片定位后作超薄切片(2 μm),醋酸鈾染色,加速電壓80.0 kV下用JEM-1230型透射電子顯微鏡觀察、照相并測量孔徑。
1.4 孔隙率檢測
采用乙醇替代法測定[6]:將支架材料置于乙醇中,循環抽真空,原乙醇體積記為V1,材料和乙醇的總體積記為V2,那么支架固體的實際體積為(V2-V1)。將含乙醇的支架移出后所剩乙醇體積記為V3,那么(V1-V3)也就是材料中所含乙醇的體積,可以視為材料孔隙所占的體積,支架總體積為(V2-V1)+(V1-V3)=V2-V3,所以支架的孔隙率可以用(V1-V3)/(V2-V3)計算。
1.5 體外降解檢測
分別將0.5 g的兩種支架置于20 mL初始pH值為7.4的PBS溶液中,放入37 ℃恒溫箱內,用酸度計每周測量支架在體外降解過程中PBS溶液pH值的變化。
1.6 OECs原代培養及純化
采用崔穎等[5]的方法,將1~3 d齡SD大鼠腹腔麻醉后斷頭,分離并剪碎雙側嗅球后加入0.125%胰酶置于37 ℃、5% CO2培養箱中消化20 min。反復吹打后用加入10%胎牛血清(fetal calf serum,FBS)的基礎培養液中止消化5min。篩網濾過后收取細胞懸液離心10 min,吹打均勻。再次離心后加入含10%FBS的完全培養液,制成單細胞懸液。錐蟲藍染色計數后以1×106個/mL密度接種于培養瓶中,置于37 ℃、5% CO2培養箱18 h后轉種于另一培養瓶,繼續培養36 h后再次離心,加入10% FBS完全培養液和阿糖胞苷。培養48 h后棄上清,用DMEM/F12沖洗后吸至刻度離心管離心,加入完全培養液吹打均勻。
1.7 支架與OECs的共同培養
接種細胞前,支架均用70%的乙醇滅菌,再用無菌生理鹽水清洗3次,最后經紫外燈照射20 min。將濃度為1×106個/mL的純化OECs懸液接種于培養板各孔內PLA-CTS支架上作為PLA-CTS組;接種于PLA-PGA支架上作為PLA-PGA組,同時另將OECs接種于多聚賴氨酸(ply-L-lysine,LL)包被的圓玻片上作為對照組,三組均置于37 ℃、5% CO2飽和濕度的培養箱中培養,每3天半量換液。
1.8 OECs在支架上的細胞增殖力檢測
3組均于共培養1、3、5、7 d后取6孔每孔加入5 mg/mL MTT溶液,37 ℃孵育4 h,終止培養,棄上清液,再加入二甲基亞砜振蕩溶解結晶,用酶標儀測570 nm OD值。以時間(d)為橫坐標,OD值為縱坐標繪制細胞生長曲線,對3組OD值進行比較。
1.9 細胞吸附率測定
PLA-CTS和PLA-PGA組每4孔計為1個樣本,培養1周,取出載體,用2.5 g/L胰酶消化后,加培養液反復沖洗,離心收集細胞,加培養液制成0.1 mL細胞懸液,計數,記為吸附細胞數,對應孔內剩余細胞消化、收集、計數,記為游離細胞數。吸附率=吸附細胞數/(吸附細胞數+游離細胞數)×100%。
1.10 切片及熒光染色
OECs接種7 d后吸出培養液,加入100%甲醇于-20 ℃固定10 min,0.01 mol/L PBS(pH 7.3)清洗后用含4%多聚甲醛的0.01 mol/L PBS(pH 7.3)固定15 min,倒去固定液后PBS清洗并用10%山羊血清室溫下封閉4 h。將PLA-CTS和PLA-PGA組支架行冰凍連續切片,片厚15 μm,每組各收集切片5套,每套取前、中、后切片各一張,陰干用Hoechst 33342進行染色,5 min后PBS洗3次,每次3 min。每張切片在熒光顯微鏡下隨機抽取5個視野,計算切片上細胞核數量后取平均值并比較。另用小鼠抗大鼠S-100抗體標記對照組及兩個支架組在熒光顯微鏡下做形態學觀察。
1.11 統計學分析
實驗計量資料以均數±標準差(x±s)表示,使用SPSS17.0統計軟件進行配對t檢驗和單因素方差分析,以P < 0.05表示差異有統計學意義。
2 結果
2.1 電鏡觀察和孔隙率檢測
電鏡下可見PLA-CTS和PLA-PGA支架均為多孔狀的立體結構,孔隙均勻,PLA-CTS支架孔隙率為91%,孔徑為30~50 μm,PLA-PGA支架孔隙率為87%,孔徑為40~80 μm,如圖 1所示。

2.2 體外降解檢測
在PBS溶液中,支架溶液的pH值隨降解時間的變化關系如圖 2所示,可見隨著時間的推移,支架逐漸降解,降解液的pH值逐漸下降,而PLA-PGA的下降速度要快于PLA-CTS。

2.3 細胞增殖力檢測結果
各組的細胞生長曲線如圖 3所示,3組各時間點OD值比較無明顯差異(P > 0.05),提示PLA-CTS和PLA-PGA與OECs均具有良好的相容性。

2.4 細胞吸附率測定
兩組的細胞吸附率如表 1所示,PLA-CTS組細胞吸附率為35.6%,PLA-PGA組為19.1%(P < 0.05),提示PLA-CTS的細胞吸附率明顯高于PLA-PGA。

2.5 免疫熒光染色
鏡下可見對照組及兩組支架上的OECs均正常生長,突起伸長,其形狀基本可區分為雙極細胞、三極細胞、扁圓細胞和不規則三角形細胞四種類(如圖 4所示)。PLA-CTS組的細胞核數量為(44.4±3.1)個/視野,PLA-PGA組為(43.5±3.6)個/視野,兩組間比較無明顯差異(P > 0.05)。

3 討論
在組織工程研究中,合適的支架做為載體可以為細胞提供良好的生長代謝環境,并有助于新的功能組織重塑[7-9]。PLA由于具有生物相容性好、可在體內完全降解等優點,已被美國食品藥品監督管理局批準應用于人體,而在脊髓組織工程的研究中也常被用來做為種子細胞載體。然而,PLA所制成的材料力學強度低、降解的產物呈酸性等特點限制了其進一步應用。為彌補PLA單一材料的不足,學者們嘗試用不同方法對PLA進行改性以擴大其應用范圍[10]。
PLA-PGA由不同比例的乳酸與乙醇酸聚合而成,是較早在組織工程領域得到應用的PLA改性支架[11-12],并在脊髓損傷的研究中得到較多應用。Moore等[13]將PLA-PGA多通道支架與施旺細胞聯合移植入脊髓橫斷的大鼠體內,一個月后發現較多的再生軸突沿著支架通道生長。Xia等[14]將PLA-PGA支架與神經干細胞及施旺細胞復合移植入大鼠半切脊髓損傷模型中,亦發現移植后神經功能得到明顯恢復,并能促進軸突再生。這些研究表明PLA-PGA可以做為多種種子細胞的載體。我們在既往的研究中也證明PLA-PGA與OECs有著良好的生物相容性。
殼聚糖屬于堿性多糖,是一種天然生物材料,可被制成多孔支架,有良好的降解特性。殼聚糖的結構和某些性質與氨基多糖極為相似,而氨基多糖是細胞外基質中的主要成分。此外,由于殼聚糖表面帶高密度的正電荷,因此有利于帶負電荷的各類細胞非特異性黏附。所以,殼聚糖在脊髓、骨以及皮膚等組織工程研究中都得到了廣泛應用[15-17]。用一定方法將殼聚糖與PLA制成復合支架,既可中和PLA的酸性降解產物,又可提高細胞的黏附率。我們在研究中也發現制備的PLA-CTS體外降解后溶液pH值的下降速度慢于PLA-PGA,更偏于中性,因此相對PLA-PGA支架應該更有利于細胞生長,尤其是對環境酸堿度敏感的細胞。
Li等[18]將PLA用殼聚糖改性制成復合支架,并與人成骨細胞在體外共培養,發現細胞在支架上的黏附、生長和分化情況均要優于細胞與單純PLA混合培養組。Shalumon等[19]制備PLA-CTS靜電紡絲,并發現人皮膚成纖維細胞能在紡絲上定向生長。Zhang等[20]將制備的PLA-CTS復合支架與骨髓基質干細胞混合培養,發現兩者有良好的相容性。這些研究表明PLA-CTS復合支架可以做為多種種子細胞的載體并有著良好的生物相容性。
我們在實驗中將OECs與PLA-PGA和PLA-CTS混合培養,結果表明OECs在兩種支架上均能存活,兩組的細胞數量無明顯差異,但PLA-CTS支架的細胞黏附率明顯高于PLA-PGA支架,提示PLA-CTS支架的環境可能更有利于OECs生長。
因此,我們認為OECs與PLA-CTS和PLA-PGA支架均有著良好的生物相容性,但由于PLA-CTS支架的降解產物更偏中性,與OECs有著更高的黏附率,因而認為PLA-CTS可能是作為OECs生長支架更合適的材料,當然,進一步的結論有待于體內研究證實。