豇豆状双谱系纳米纤维垫用于修复慢性肩袖撕裂和抑制脂肪浸润

DOI:10.1016/j.cej.2019.123671

慢性肩袖损伤的修复主要依靠外科手术从生物力学上加强肌腱与骨的连接。有许多关于肌腱-骨愈合促进肌腱骨再生或胶原重建的研究。然而，慢性肩袖损伤常与脂肪内滤有关，很少有研究考虑到这一方面，更不用说同时克服骨愈合和脂肪内滤的两大挑战了。在这里，受豇豆（Vigna unguiculata）结构的启发，我们开发了含锂介孔二氧化硅与电纺PEUU纳米纤维（Li⁺@MSNs/PEUU）相结合，可以缓慢释放锂离子，抑制肩袖脂肪内滤，在手术修复的基础上促进骨再生，以增强肌腱到骨的愈合。通过体外实验，我们研究了锂离子的双向作用机制，发现其与Wnt途径密切相关。在体内，该系统对大鼠慢性肩袖损伤模型的治疗取得了显著的成功。组织学和micro-CT结果证实，Li⁺@MSNs/PEUU纳米纤维毡组8周后的愈合情况优于其他对照组。总之，本研究表明含锂介孔二氧化硅结合电纺纳米纤维毡对脂肪内滤促进肩袖损伤术后愈合具有长期疗效，且两个谱系的调节仅用单一介质即可实现，具有良好的应用潜力。

图1.通过静电相互作用，物理吸收和电纺丝制造豇豆状双谱系纳米纤维的示意图；及其在脂肪浸润修复慢性肩袖撕裂中的应用。

图2.PEUU纳米纤维垫（a）和（d），Li⁺/PEUU纳米纤维垫（b）和（e）以及Li⁺@ MSNs/PEUU纳米纤维垫（c）的SEM图像，水接触角和直径分布直方图（c）和（f），（c）中的白色箭头表示MSNs的线状分布。

图3.（a）MSNs-COOH，（b）Li⁺@MSNs，（c）Li⁺/PEUU和（d）Li⁺@MSNs/PEUU的TEM图像；（e）FTIR光谱；（f）Li⁺/PEUU纳米纤维垫和Li⁺@MSNs/PEUU纳米纤维垫在LiCl质量相近时Li⁺的体外释放曲线。

图4.在干燥条件下，PEUU纳米纤维毡，Li⁺/PEUU纳米纤维毡和Li⁺ @ MSNs/PEUU纳米纤维毡的力学特性：（a）代表应力-应变曲线；（b）杨氏模量；（c）拉伸强度；（d）断裂伸长率。（^**p <0.01 与PEUU相比；^***p <0.001与PEUU相比；^##p <0.01 与Li⁺/PEUU相比；^###p <0.001 与Li⁺/PEUU相比；每组n=5）。

图5.（a）活/死染色结果的活细胞计数；（b）盖玻片，PEUU纳米纤维垫，Li⁺/PEUU纳米纤维垫和Li⁺@MSNs/PEUU纳米纤维垫对CCK-8检测的MC-3T3-E1细胞的细胞毒性；（c）分别在盖玻片，PEUU纳米纤维垫，Li⁺/PEUU纳米纤维垫和Li⁺@MSNs/PEUU纳米纤维垫上培养的第1、3和5天的死（红色）和活（绿色）MC-3T3-E1细胞的荧光图像。（^**P <0.01；^***P <0.001；^#P <0.05 与（b）中的Li⁺/PEUU相比；n=3；NS=无显著性。）（用于解释此图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）

图6.培养3天后，在盖玻片、PEUU纳米纤维垫、Li⁺/PEUU纳米纤维垫和Li⁺@MSNs/PEUU纳米纤维垫上培养的MC-3T3-E1细胞，细胞骨架（红色）和细胞核（蓝色）染色的荧光显微镜图像，（要解释该图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）

图7.成脂诱导后3T3-L1细胞的油红染色（a）无Li⁺，和（b）有Li⁺；（c）油红染色的吸光度指数（510 nm）；（d）不含Li⁺的成骨诱导后MC-3T3-E1细胞的茜素红染色，和（e）含Li⁺的茜素红染色；（f）茜素红染色的吸光度指数（510nm）。 C-对照组（无Li⁺），E-实验组（有Li⁺）。（^**P <0.01 与对照组相比；^***P <0.001 与对照组相比，n=3）。（要解释该图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）

图8.Li⁺离子对体外成骨相关和成脂相关基因表达的影响：（a）RUNX2 mRNA RT-qPCR；（b）用于OCN mRNA的RT-qPCR；（c）用于PPARγmRNA的RT-qPCR；（d）用于FABP4 mRNA的RT-qPCR；（e）成骨诱导MC-3T3-E1后β-链蛋白和Wnt5a的蛋白质印迹分析；（f）成脂诱导3 T3-L1后，β-链蛋白和Gsk3β的蛋白质印迹分析。（C-对照组（无Li⁺），E-实验组（有Li⁺）。^*P <0.05，^**P <0.01 与对照组相比，n=3）。

图9.Li⁺离子对体外成骨相关和脂肪形成相关蛋白表达的影响：（a）成骨诱导MC-3T3-E1后β-链蛋白和Wnt5a的蛋白质印迹分析，以及（b），（c）是半定量分析结果； （d）成脂诱导3T3-L1后β-链蛋白和Gsk3β的Western印迹分析，结果为（d），（e）。（C-对照组（无Li⁺），E-实验组（有Li⁺）。^*P <0.05，^**P <0.01 与对照组相比，n=3）。

图10.（a）油红染色率结果；（b）健康的肩袖无脂肪浸润；（c）油红染色结果显示无垫子或有PEUU纳米纤维垫、Li⁺/PEUU纳米纤维垫或Li⁺@MSNs/PEUU纳米纤维垫的修复效果，分别为2、4和8周。（^**p <0.01，^***p <0.001 与简单修复相比； ^##p <0.01，^###p <0.001 与PEUU相比；^△△p <0.01 与Li⁺/PEUU相比；每组n=4）。（要解释该图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）

图11.天狼猩红染色分别显示了无垫、有PEUU纳米纤维垫、Li⁺/PEUU纳米纤维垫或Li⁺@MSNs/PEUU纳米纤维垫的修复效果，分别持续了2、4和8周。（要解释该图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）

图12. Micro-CT图像分别显示了无垫、有PEUU纳米纤维垫、Li⁺/PEUU纳米纤维垫或Li⁺@MSNs/PEUU纳米纤维垫的修复效果，分别持续了2、4和8周。 （^*p <0.05，^**p <0.01，^***p <0.001 与简单修复相比；^#p <0.05，^##p <0.01，^###p <0.001 与PEUU相比；^△p <0.05，^△△p <0.01 与Li⁺/PEUU相比；每组n=4）。

图13.分别在移植后2、4和8周，无垫或无PEUU纳米纤维垫，Li⁺/PEUU纳米纤维垫或Li⁺@MSNs/PEUU纳米纤维垫的肩袖修复的力学性能。（a）愈合交界处的横截面积；（b）极限破坏负荷；（c）刚度；（d）冈上肌腱对肱骨复合体的应力。（^*p <0.05，^**p <0.01，^***p <0.001 与简单修复相比；^#p <0.05，^##p <0.01，^###p <0.001 与PEUU相比；^△p <0.05，^△△p <0.01 与Li⁺/PEUU相比；每组n=8）。