DOI：10.1016/j.jcis.2020.01.016

壳聚糖水凝胶较差的固有机械性能极大地阻碍了其实际应用。受自然界的启发，本文提出了一种通过在无毒化学交联的水凝胶中构建纳米纤维和细胞结构来增强壳聚糖水凝胶的机械性能的策略。为此，通过均匀分散和冷冻干燥的方法，将包括乙酸纤维素、聚丙烯腈和SiO2纳米纤维的电纺纳米纤维引入壳聚糖水凝胶中。通过添加30%的醋酸纤维素纳米纤维，即使在水中无需交联也可以保持细胞结构，而60%的纳米纤维的整合可以确保低固含量1%的壳聚糖水凝胶的独立结构。此外，SiO2纳米纤维增强壳聚糖（SiO2 NF/CS）三维（3D）基质在80%的压缩应变中显示出完全的形状恢复性，并具有出色的可注射性。SiO2 NF/CS基质中的细胞结构和纳米纤维结构有利于人间充质干细胞的粘附和拉伸。此外，SiO2 NF/CS基质还可以充当强大的药物输送工具。例如，可以将骨形态发生蛋白2固定在SiO2 NF/CS基质上以诱导成骨分化。电纺纳米纤维增强的三维壳聚糖基质具有改善的机械性能和增强的生物功能，在组织工程中拥有巨大的潜力。

图1.（a）产生纳米纤维/壳聚糖（NF/CS）基质的程序示意图。（b）不同醋酸纤维素纳米纤维/壳聚糖（CA NF/CS）重量比为0/10、3/7、6/4和9/1的醋酸纤维素纳米纤维/壳聚糖基质的照片和SEM图像。

图2.（a）随着CA NF/CS重量比的增加，CA NF/CS基质的压缩曲线（5个循环）和（b）最大压缩应力以及塑性变形。（c）每个压缩循环后CA NF/CS基质的强度保持率。（d）不同CA NF/CS重量比的CA NF/CS基质在水中的光学显微镜图像。

图3.（a）NF/CS重量比为6/4的PAN NF/CS、CA NF/CS和SiO2 NF/CS基质的SEM图像、（b）通道宽度分布和（c）循环压缩曲线。

图4.从（a）宏观和（b）微观两个层面研究了SiO2 NF/CS基质的形状恢复过程。（c）SiO2 NF/CS基质的可注射性。（d）SiO2 NF/CS基质在PBS中浸泡6和48h后的机械稳定性。

图5.（a）具有四个层次结构的SiO2 NF/CS基质结构示意图。（b）蜂窝状孔和（c）纳米纤维孔壁的扫描电镜图像。（d）壳聚糖包裹二氧化硅纳米纤维的透射电镜图像。（e）SiO2纳米纤维和SiO2 NF/CS基质的FTIR光谱。在5×SBF中矿化24小时的SiO2 NF/CS基质的（f-h）SEM图像和（i）EDS。

图6.（a）在SiO2 NF/CS基质上培养的人间充质干细胞的活/死染色。（b）在SiO2 NF/CS基质上培养的人间充质干细胞的F-肌动蛋白染色和（c）SEM图像。（d）SiO2 NF/CS流延膜形貌和杨氏模量映射的AFM图。

图7.培养21天后，在BMP2固定的SiO2 NFs/CS基质上培养的人间充质干细胞的OC4-30、胶原蛋白II和FABP4免疫染色。