Gereguleerde oppervlaktemorfologie van polyaniline/polymelkzuur composiet nanovezels via verschillende anorganische zuren Doping voor het verbeteren van de biocompatibiliteit in weefseltechnologie

Abstract

Geleidende en afbreekbare nanovezelsteigers hebben een groot potentieel bij het bevorderen van celgroei, proliferatie en differentiatie onder een extern elektrisch veld. Hoewel het probleem van inferieure elektrische geleidbaarheid in lichaamsvloeistoffen nog steeds bestaat, kunnen op polyaniline (PANI) gebaseerde afbreekbare nanovezels celadhesie, groei en proliferatie bevorderen. Om te onderzoeken of het effect wordt veroorzaakt door de PANI-morfologie, hebben we drie anorganische zuren geselecteerd als doteermiddelen in het proces van PANI in situ oxidatieve polymerisatie:zoutzuur, zwavelzuur en perchloorzuur. De verkregen polyaniline/polymelkzuur (PANI/PLA) composiet nanovezels werden gekarakteriseerd via SEM-, FTIR- en XPS-analyse, en we bevestigden dat de PLA-nanovezels met succes werden gecoat door PANI zonder enige verandering in de poreuze structuur van de PLA-nanovezels. De in vitro mechanische eigenschappen en afbreekbaarheid gaven aan dat de oxidatie van zure doteermiddelen moet worden overwogen en dat het waarschijnlijk een hoger oxidatie-afbraakeffect op PLA-nanovezels zou hebben. De contacthoektest toonde aan dat PANI/PLA-composiet nanovezels met verschillende oppervlaktemorfologieën een goede bevochtigbaarheid hebben, wat impliceert dat ze voldoen aan de vereisten van scaffolds voor botweefselengineering. De oppervlakteruwheid en levensvatbaarheid van de cellen toonden aan dat verschillende PANI-morfologieën op het oppervlak celproliferatie kunnen bevorderen. Hoe hoger de oppervlakteruwheid van de PANI, hoe beter de biocompatibiliteit. Bijgevolg heeft de gereguleerde oppervlaktemorfologie van PANI/PLA composiet nanovezels via doping met verschillende zuren een positief effect op de biocompatibiliteit bij weefselmanipulatie.

Inleiding

Extracellulaire matrix (ECM) is een type macromoleculair netwerk dat door cellen wordt uitgescheiden in het extracellulaire stroma. Het presenteert de basis van cellen, weefsels en organen, vergezeld van organen, en wordt gekenmerkt door een complexe rasterstructuur [1, 2]. Bovendien biedt het een geschikte plaats voor het overleven en de activiteit van cellen, het bepalen van hun vorm, het beheersen van hun differentiatie, het deelnemen aan hun migratie en metabolisme en uiteindelijk hun overleving, groei en dood beïnvloeden [3, 4]. Electrospinning nanovezels kunnen de werking van extracellulaire matrix simuleren om celgedrag te reguleren vanwege hun hoge specifieke oppervlakte, geschikte mechanische eigenschappen en biologische afbreekbaarheid. Bovendien kunnen elektrospinning nanovezels multifunctioneel zijn door oppervlaktemodificatie op basis van het behoud van de poreuze structuur. Daarom zijn elektrospinning-nanovezels een veelbelovend kandidaat-materiaal geworden in weefseltechnologie, dat op grote schaal wordt toegepast bij medicijnafgifte, orthopedische regeneratie, zenuwregeneratie en reparatie [5,6,7,8,9,10].

Geleidende polymeren (bijv. polypyrrool [PPy], polythiofeen [PTH] en polyaniline [PANI]) hebben een goede in vitro en in vivo biocompatibiliteit, wat een significante invloed kan hebben op celadhesie, proliferatie en differentiatie, evenals weefselregeneratie [11,12 ,13]. Van deze geleidende polymeren wordt PANI beschouwd als een potentieel materiaal voor weefselmanipulatie en regeneratieve geneeskunde vanwege de goede verwerkbaarheid, uitstekende geleidbaarheid, goede redoxstabiliteit en biocompatibiliteit [14, 15]. Onder elektrische stimulatie kan PANI celadhesie, proliferatie, migratie en differentiatie reguleren [16, 17]. In feite hebben talrijke rapporten geconcludeerd dat op PANI gebaseerde geleidende, afbreekbare composiet nanovezels het celgedrag onder een elektrisch veld bevorderen [18,19,20,21]. Dit brengt echter een cruciaal probleem met zich mee dat de geleidbaarheid van PANI in een fysiologische omgeving (pH = 7.4) zal worden verzwakt vanwege PANI-dedoped, wat, zoals eerdere studies hebben aangetoond, de voordelen van elektrische activiteit van het bevorderen van celproliferatie en differentiatie vermindert [22] . Hoewel dit duidelijk een beperking vormt van op PANI gebaseerde geleidende afbreekbare nanovezels in botweefselmanipulatie onder externe elektrische stimulatie, kunnen ze de celproliferatie en groei nog steeds in aanzienlijke mate bevorderen [23, 24]. Hier speculeerden we dat de oppervlaktemorfologie van PANI de ruwheid van de composiet nanovezels verhoogt, wat bevorderlijk is voor celadhesie, groei en proliferatie.

Polyaniline gedoteerd met anorganische zuren heeft in het algemeen een goede elektrische geleidbaarheid. De anionen die door verschillende anorganische zuurdoteringsmiddelen worden geïntroduceerd, zullen echter de geleidbaarheid en structuur van polyaniline beïnvloeden [25,26,27]. In dit artikel worden drie veel voorkomende anorganische zuren, namelijk zoutzuur (HCl, HA), zwavelzuur (H₂ SO₄ , SA), en perchloorzuur (HClO₄ , PA), werden geselecteerd als de doteermiddelen in een PANI in situ oxidatieve polymerisatie. Vervolgens werden de mechanische eigenschappen, bevochtigbaarheid, oppervlaktemorfologie, biocompatibiliteit en celadhesie van PANI/polymelkzuur (PLA) nanovezels onderzocht onder verschillende zuurdoteringsmiddelen. De resultaten gaven aan dat hoe hoger de oppervlakteruwheid van de PANI, hoe beter de celproliferatie, en dus een betere biocompatibiliteit.

Methoden/experimenteel

Chemische stoffen

Aniline (AN) werd gekocht bij Sigma, PLA (M w =-60.000) werd gekocht bij Solarbio, dichloormethaan (DCM) werd gekocht bij Tianjin Fuyu Fine Chemical Co., Ltd., en N,N-dimethylformamide (DMF) werd gekocht bij Macklin. Ondertussen werd ammoniumpersulfaat (APS) gekocht van Aladdin, HCl en H₂ SO₄ werden gekocht van Guangzhou Chemical Co., Ltd., en HClO₄ is gekocht bij Macklin.

Bereiding van polyaniline/polymelkzuur nanovezels

Vervaardiging van elektrospinnende nanovezels van polymelkzuur

PLA-deeltjes met een specifieke massa werden toegevoegd aan een gemengde oplossing van DCM en DMF (volumeverhouding van 7:3) voordat ze werden geroerd totdat ze oplosten, en een gemengde oplossing van 10% PLA werd verkregen. De PLA-oplossing werd vervolgens in een injectiespuit gedoseerd en aangesloten op een hoogspanningsvoeding. De elektrospinmachine (DP-30, Tianjin Yunfan Technology Co., Ltd.) werd ingesteld op een spanning van 15 kV en op een afstand van 15 cm. De verkregen PLA-nanovezels werden een nacht vacuüm gedroogd bij 40°C.

Bereiding van nanovezels van polyaniline/polymelkzuur gedoteerd met verschillende anorganische zuren

De PLA-nanovezels werden in de kamer van de plasmareinigingsmachine (PCE-6, MTI Corporation, VS) geplaatst en gedurende 2 minuten bij 30 W RF-vermogen ontladen. In dit artikel worden drie veel voorkomende anorganische zuren, namelijk HCl, H₂ SO₄ , en HClO₄ , werden gebruikt als doteermiddelen voor in situ oxidatieve polymerisatie bij de bereiding van PANI/PLA-nanovezels [24], en de overeenkomstige PANI-nanovezels werden respectievelijk gemarkeerd als PANI-HA, PANI-SA en PANI-PA, terwijl de PANI/PLA nanocomposiet nanovezels werden respectievelijk gelabeld als PANI/PLA-HA, PANI/PLA-SA en PANI/PLA-PA. Het bereidingsproces van PLA en PANI/PLA composiet nanovezels wordt getoond in Fig. 1.

Schematische weergave van het bereidingsproces van PLA en PANI/PLA composiet nanovezels

PANI/PLA nanocomposiet nanovezels werden bereid onder ijsbadomstandigheden [16, 28]. Het APS en AN werden toegevoegd aan een 1 M zuuroplossing volgens een molaire verhouding van 1:1. Hier nemen we de HCl als voorbeeld om het bereidingsproces van PANI/PLA-nanovezels te illustreren. Onder ijsbadomstandigheden werd het AN (930 mg, 0,01 mol) druppelsgewijs toegevoegd aan APS (2280 mg, 0,01 mol) en opgelost in 50 ml 1 M HC1. Onmiddellijk werd het met plasma behandelde PLA-nanovezelmembraan in de oplossing ondergedompeld en gedurende 2 uur bij 0 ° C geroerd. Na de reactie werd het PLA-nanovezelmembraan verschillende keren schoongemaakt met HCl en ethanol om de niet-gehechte PANI te verwijderen voordat het een nacht bij 40 ° C werd gedroogd om PANI / PLA-HA-nanovezels te verkrijgen, die opzij werden gelegd voor later gebruik. De PANI/PLA-SA en PANI/PLA-PA composiet nanovezels werden verkregen volgens een vergelijkbare benadering.

Karakterisering

De uniaxiale trekproeven voor de PLA-nanovezels en PANI / PLA-composiet-nanovezels werden uitgevoerd via een spannings-stresstest (Shimadzu AGX-PLUS, Japan). Hier werd het monster in een halterachtige vorm gesneden, waarbij de treksnelheid constant op 3 mm/min werd gehouden. De modulus van Young werd berekend uit het lineaire gebied van 0-15% rek in de spanning-rekcurve en de treksterkte en breuktreksnelheid van de curve werden bepaald uit de breuk van het nanovezelmembraan.

De morfologie van de nanovezelsteigers werd gekarakteriseerd via veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FE-SEM) (Hitachi-SU8220, Japan) om de verschillende morfologieën van de PANI gedoteerd met verschillende anorganische zuren te observeren. Voorafgaand aan de SEM-waarneming werden de nanovezelmonsters 60 seconden lang met goud besproeid om een duidelijkere observatie van de morfologie mogelijk te maken. Ondertussen werd de oppervlakteruwheid van de PANI/PLA composiet nanovezels gemeten met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM, Bruker Dimension Edge). Om te bevestigen dat PANI volledig op de PLA-nanovezels was geladen, werd Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) (Thermo Nicolet iS50) gebruikt om de golflengteverandering van 2000 ~ 500 cm⁻¹ te meten . Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS; Thermo ESCALAB 250) en Al-Kα werden gebruikt als de röntgenstralingsbronnen om de oppervlaktesamenstelling van de PANI/PLA-nanovezels verder te bepalen, terwijl hun bevochtigbaarheid werd gemeten in termen van de contacthoek van de waterdruppels bij omgevingstemperatuur via contacthoekanalyse (OCA 15 plus, Duitsland). De afbraak van de nanovezels werd geëvalueerd met behulp van een massaverliesmethode [29, 30]. De nanovezelmembranen werden in schijven van 16 mm gesneden en in 20 ml fosfaatbufferzoutoplossing (PBS) met een pH van 7,4 geplaatst voordat de steigers 7, 14 en 21 dagen bij 37 ° C werden geïncubeerd en gedroogd tot een constant gewicht .

Biocompatibiliteit van PANI/PLA composiet nanovezelsteigers

Biocompatibiliteit

In dit artikel werd de biocompatibiliteit van PANI/PLA-composiet nanovezelsteigers gekarakteriseerd door experiment met menselijke osteosarcoom (HOS). HOS-cellen werden gekocht bij de celbank van de Chinese Academie van Wetenschappen, Shanghai. De HOS-cellen werden gekweekt in Dulbecco's gemodificeerd Eagle-medium (DMEM) met een laag glucosegehalte dat 10% foetaal runderserum, 100 E/mL penicilline en 100 E/mL streptomycine bevat voordat ze bij 37 °C en 5% CO2 werden geïncubeerd. . Toen de celgroei een fusiegraad van 90% bereikte, werden de cellen gepasseerd in een verhouding van 1:3.

De HOS-cellen moesten voorafgaand aan de celproliferatietest op de PANI/PLA-nanovezels worden gezaaid. Hier werden de nanovezels in een plaat met 96 putjes geplaatst zodat ze de bodem van de plaat volledig bedekten voordat ze gedurende 30 minuten via UV en gedurende 30 minuten via een 75% ethanoloplossing werden gesteriliseerd. Ze werden vervolgens gewassen met PBS. De nanovezels werden vervolgens geënt met een 1 × 10⁴ putdichtheid, terwijl tegelijkertijd een blanco groep en een controlegroep werden opgezet. De cellen werden vervolgens één, drie en vijf dagen bij 37 °C in een celincubator geïncubeerd, waarbij het medium elke twee dagen werd ververst.

De levensvatbaarheid van de cellen van de PANI/PLA-nanovezels werd geëvalueerd met behulp van een 3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-difenyl-2-H-tetrazoliumbromide (MTT) -test. Na incubatie op één, drie en vijf dagen werd het medium uit de plaat met 96 putjes verwijderd en driemaal gewassen met PBS voordat een DMEM van 1 ml met 10% 5 mg/ml MTT werd toegevoegd. Het medium werd vervolgens gedurende 4 uur bij 37 ° C geïncubeerd en vervolgens verwijderd voordat DMSO werd toegevoegd om het methylprednisolon op te lossen. Het medium werd 10 minuten getrild en vervolgens werd de absorptie bepaald (BioTek Synergy HTX, VS).

Fluorescerende immunokleuring

De HOS-cellen werden 24 uur in de PANI/PLA-nanovezelincubator geïncubeerd en werden driemaal met PBS gewassen. Vervolgens werden de cellen gedurende 10 minuten bij kamertemperatuur gefixeerd met 4% paraformaldehyde. De gefixeerde cellen werden drie keer gewassen met PBS (elke keer 10 minuten) en 10 μL 100 nM FITC-gelabeld peptide werd toegevoegd voordat de cellen 30 minuten bij kamertemperatuur werden geïncubeerd en vervolgens drie keer met PBS gewassen (elke keer 5 minuten). ). Het extracellulaire actine van de HOS-cellen werd gekleurd met confocale microscopie (Type A1, Nikon, Japan) die werd gebruikt om de celkleuring te observeren bij een vergroting van 20 ×.

Celadhesie

De hechting van de HOS-cellen op de PANI/PLA composiet nanovezelsteigers werd waargenomen via SEM. Hier werd het kweekmedium verwijderd na de 24-uurs PANI/PLA nanovezel HOS-celkweek en vervolgens driemaal gewassen met PBS vóór de toevoeging van 4% PFA. Het medium werd een nacht bij 4 ° C gefixeerd, driemaal gewassen met PBS, gedehydrateerd met een gradiënt-ethanoloplossing (respectievelijk 30%, 50%, 70%, 85%, 90% en 100%; telkens 20 minuten) en daarna 24 uur gevriesdroogd. Voorafgaand aan de SEM-waarneming werden de nanovezels 120 seconden lang met platina besproeid om een betere observatie mogelijk te maken.

Alkalische fosfatase-activiteit (ALP)

ALP is een van de veelgebruikte vroege osteoblastdifferentiatiemarkers die afhankelijk zijn van de expressie van alkalische fosfatase-enzymen. Hierin werd ALP-activiteit uitgevoerd met behulp van de ALP Assay Kit (Beyotime Biotechnology, P0321S). De HOS-cellen werden gekweekt op verschillende PANI/PLA-composietsteigers voor de aangewezen 7d. De cellen werden gelyseerd met 50 L Tris-HCl (0, 1 M, pH 8) met 0, 1% (v / v) triton X-100. De ALP-activiteit wordt geanalyseerd door de concentratie van p . te kwantificeren -nitrofenol van p -nitrofenylfosfaat (PNPP), dat wordt geschat door de absorptie bij 405 nm te registreren. Het percentage ALP-activiteit van de cellen gekweekt langs de PANI/PLA-nanovezels wordt berekend door de ALP-activiteit van de cellen te vergelijken die zijn gekweekt op ongerepte PLA-nanovezels.

Statistische analyse

De statistische significantie van de resultaten werd beoordeeld via eenrichtingsanalyse van variantie (ANOVA) met GraphPad Prism (versie 8.02). Hier werden de verschillen in mechanische eigenschappen, in vitro biologische afbreekbaarheid en levensvatbaarheid van de cellen tussen de verschillende PANI/PLA composiet nanovezelsteigers geanalyseerd. De resultaten werden als significant beschouwd wanneer p < 0.05 (∗) en zeer significant wanneer p < 0.005 (∗∗).

Resultaten en discussie

De mechanische eigenschappen van weefsel-engineered scaffolds zijn belangrijke indicatoren bij de evaluatie of de scaffolds vloeistofdynamica kunnen weerstaan. De aanwezigheid van anorganische zuren kan de fysische en chemische eigenschappen van de PLA-matrix van PANI/PLA-composiet-nanovezels beïnvloeden in het in situ chemische oxidatiepolymerisatieproces van PANI. Daarom is het noodzakelijk om de mechanische eigenschappen van PANI/PLA composiet nanovezels te onderzoeken die zijn gedoteerd met anorganische zuren. Hier werden de mechanische eigenschappen van PANI / PLA-composiet nanovezels geëvalueerd via een trekproef, die wordt getoond in Fig. 2, inclusief spanning-rek, Young's modulus, treksterkte en rek bij breuk. Zoals getoond in Fig. 2a vertoonden de PLA-nanovezels een lineair elastisch gedrag, en de PANI/PLA-HA en PANI/PLA-SA composiet nanovezels vertoonden een duidelijk vloeigedrag, terwijl de PANI/PLA-PA composiet nanovezels onmiddellijk na elastische vervorming braken. . De Young's modulus (Fig. 2b) van de PANI / PLA composiet nanovezels was hoger dan die van de PLA nanovezels. Vergeleken met PLA was de toename in elasticiteitsmodulus van PANI/PLA-HA, PANI/PLA-SA en PANI/PLA-PA respectievelijk 53.5 ± 9.09, 60.00 ± 9.47 en 28.43 ± 8.34 MPa. In termen van treksterkte (Fig. 2c) en breuktrekverhouding (Fig. 2d), namen die van PANI/PLA-HA en PANI/PLA-PA af, terwijl die van PANI/PLA-SA licht toenam; de treksterkte en rek bij breuk van PANI/PLA-PA waren het laagst. Vergeleken met de PLA-nanovezels nam de treksterkte van PANI/PLA-HA en PANI/PLA-PA af met respectievelijk 0,15 ± 0.01 en 0.64 ± 0.03 MPa, terwijl die van PANI/PLA-SA licht toenam met 0.13 ± 0.05 MPa. De rek bij breuk van PANI/PLA-HA en PANI/PLA-PA nam af met respectievelijk 16,93 ±-1,38% en 35,42 ±-3,94%, terwijl die van PANI/PLA-SA toenam met 3,32 ± 0,13%.

Mechanische eigenschappen van PLA nanovezels en PANI/PLA composiet nanovezels. een Representatieve trekspanning-rekkrommen, b Young's modulus, c treksterkte bij breuk, d rek bij breuk

Zoals getoond in Fig. 2, kunnen de geselecteerde anorganische zuren de elasticiteitsmodulus van PLA-nanovezels verhogen door de verbinding van de PANI-coating. In termen van treksterkte en rek bij breuk, vergeleken met PLA-nanovezels, varieerden de mechanische eigenschappen van PANI/PLA-HA en PANI/PLA-SA in verschillende mate, terwijl die van PANI/PLA-PA het duidelijkst afnamen, en zo snel toen de spanning tijdens het testen werd uitgeoefend, trad een breuk op in minder dan 5 s. Deze resultaten kunnen te wijten zijn aan de oxidatie van HClO₄ , wat resulteerde in de splitsing van de esterbinding in de PLA-molecuulketen en de oxidatieve ontleding van de carboxylgroep, wat vervolgens leidde tot inferieure mechanische eigenschappen [31]. Ondertussen kunnen de verschillende mechanische eigenschappen van PANI/PLA-HA en PANI/PLA-SA verband houden met de verschillende dichtheid van de PANI gedoteerd door HCl en H₂ SO₄ , terwijl de introductie van de APS in het reactieproces ook een kleine impact kan hebben gehad op de PLA-nanovezels, waarbij het alomvattende effect van deze factoren verschillende mechanische eigenschappen vertoont [32].

Celadhesie, proliferatie en differentiatie worden beïnvloed door de morfologie, waarbij algemeen wordt aangenomen dat een ruw oppervlak bevorderlijk is voor celadhesie [33]. De hydrofobiciteit van PLA-nanovezels impliceert dat de uniforme polymerisatie van PANI een barrière vormt, terwijl de oppervlaktebehandeling van PLA-nanovezels met plasma de bevochtigbaarheid aanzienlijk kan verbeteren [34]. Na de PANI-gebaseerde in situ polymerisatie met verschillende anorganische zuurdoteermiddelen, werden PANI/PLA composiet nanovezels verkregen met een uniforme oppervlaktedepositie.

De PANI-morfologie op het oppervlak van de verschillende PANI/PLA-vezels werd waargenomen via FE-SEM (Fig. 3). De figuur laat duidelijk zien dat het oppervlak van de PLA-nanovezels bedekt was met veel onregelmatige nanodeeltjes en dat de PANI/PLA composiet nanovezels gedoteerd met de anorganische zuren in staat waren om een goede vezelmorfologie en poreuze nanovezelstructuur te behouden. De morfologische waarnemingen onthulden dat de PANI/PLA composiet nanovezels met succes werden geladen met PANI, wat een basis vormde voor celadhesie en proliferatie. Ondertussen werd AFM gebruikt om de oppervlakteruwheid van de PANI / PLA-composiet nanovezels te meten, zoals weergegeven in Fig. 4. Ra, de gemiddelde waarde van oppervlakteruwheid op drie verschillende posities van elk monster, wordt over het algemeen gebruikt om de oppervlakteruwheid van het monster te evalueren. Verder was de Ra van de PANI/PLA composiet nanovezels groter dan die van de PLA nanovezels, en de Ra van PANI/PLA-PA het hoogst. Deze toename in oppervlakteruwheid versnelde het oppervlak en de polariteit, wat mogelijk meer groeiplaatsen voor cellen oplevert en celadhesie bevordert.

Morfologie van a PLA-nanovezels, b PANI/PLA-HA, c PANI/PLA-SA en d PANI/PLA-PA composiet nanovezels

AFM-beeld en oppervlakteruwheid (Ra) van a PLA-nanovezels, b PANI/PLA-HA, c PANI/PLA-SA en d PANI/PLA-PA composiet nanovezels

Celadhesie, migratie en proliferatie worden significant beïnvloed door de bevochtigbaarheid van de scaffolds [35, 36]. In het algemeen wordt de bevochtigbaarheid beoordeeld in termen van de contacthoek tussen de steiger en het water. Aangezien PLA hydrofoob is, hebben we de contacthoek van de waterdruppels op het nanovezelmembraan binnen 1 s gemeten, zoals weergegeven in Fig. 5, en de contacthoeken van de PANI / PLA-nanovezels na behandeling bleken significant af te nemen. De corresponderende contacthoeken van PLA, PANI/PLA-HA, PANI/PLA-SA en PANI/PLA-PA waren respectievelijk 112°, 61,6°, 36,7° en 37,2°. De PANI-morfologie van PANI/PLA verhoogde de oppervlakte-energie van het systeem, waarbij het contactoppervlak toenam bij het eerste contact met het water, wat resulteerde in de afname van de contacthoek en de verbetering van de bevochtigbaarheid. De contacthoek van de composiet nanovezels veranderde in 0° na 5 s contact met water, wat een goede hydrofiliciteit aantoont. Deze hydrofiele scaffold bood ook gunstige omstandigheden voor celadhesie en diffusie [37] aangezien de zuurstofbevattende functionele groepen (bijv. -OH en -COOH) op het PLA-oppervlak meer gebonden waren aan het nanovezeloppervlak na de plasmabehandeling, en de PANI morfologie en zuurstofbevattende functionele groepen werkten samen om ervoor te zorgen dat de PANI/PLA composiet nanovezels uiteindelijk volledig nat werden [38, 39].

Contacthoek van a PLA-nanovezels, b PANI/PLA-HA, c PANI/PLA-SA en d PANI/PLA-PA composiet nanovezels

De FTIR-spectra van zuivere PANI- en PANI/PLA-composiet-nanovezels gedoteerd door verschillende anorganische zuren worden getoond in Fig. 6. In het zuivere gedoteerde PANI-spectrum (Fig. 6a), de sterke karakteristieke pieken bij 1.565, 1.485, 1.298 en 1.125 cm ⁻¹ komen overeen met respectievelijk een C=C-uitrekking van de chinoïderingen en een C = C-uitrekking, C–N-uitrekking en = C–H-uitrekking van de benzenoïderingen. In het pure gedoteerde PANI-spectrum (Fig. 6b) is naast de karakteristieke PANI-piek ook een PLA-piek te zien (C–O stretching-trillingspieken van 1092 en 1184 cm⁻¹ , C=O rektrillingspiek van 1757 cm⁻¹ ). Deze resultaten geven aan dat PANI met succes werd geladen op het oppervlak van de PANI/PLA-nanovezels die waren gedoteerd met anorganische zuren. Om de chemische samenstelling van de PANI/PLA-nanovezels verder te onderzoeken, werd XPS gebruikt om hun oppervlaktesamenstelling te analyseren. Bovendien waren in de XPS-spectra (Fig. 7a) duidelijke N1s-pieken zichtbaar bij ~ -400 eV in PANI / PLA-composiet nanovezels. Bovendien waren Cl2p-pieken zichtbaar bij ~ 200 eV in PANI/PLA-HA en PANI/PLA-PA, terwijl de piekintensiteit van Cl2p met PANI/PLA-PA hoger was dan die met PANI/PLA-HA. Een piek van S2p verscheen bij ~ 210 eV op de XPS-spectra in PANI/PLA-SA. XPS-spectra gaven aan dat Cl⁻ , SO₄ ²⁻ , en ClO₄ ⁻ werden gedoteerd op de overeenkomstige PANI/PLA-nanovezels. Bovendien werden de imine-stikstofatomen van PANI volledig of gedeeltelijk geoxideerd om een reeks oxidatietoestanden te produceren die gepaard gingen met verschillende gradaties van protonering. De veranderingen in de oxidatietoestand en het protonatieniveau van PANI werden gemeten in termen van N1s-spectra op nucleair niveau (Fig. 7b-d). Elk N1s-spectrum kan worden gedeconvolueerd tot vier hoofdcomponenten met bindingsenergieën van ongeveer 398,7, 399,6, 400,4 en 401,8 eV, wat kan worden toegeschreven aan het chinonoïde imine (–N=), benzenoïde amine (–NH–), geprotoneerd amine (– N⁺ ), en geprotoneerd imine (=N⁺ ), respectievelijk [40, 41]. Met verwijzing naar de studie van Kumar [42], werd aangenomen dat de passende piek van het N1s-spectrum werd beïnvloed door de lading in de anionen gebonden door de geprotoneerde N-atomen, wat resulteerde in delokalisatie en een lichte verschuiving.

FTIR-spectra van a PANI, b PLA en PANI/PLA composiet nanovezels

XPS-spectra (a ) van geprepareerde PANI/PLA composiet nanovezelsteigers en de PANI/PLA-HA (b ), PANI/PLA-SA (c ), en PANI/PLA-PA (d ) van het kernniveausignaal van N1s

Als sjabloon voor weefselherstel en -regeneratie worden bioactieve scaffolds afgebroken en uit het lichaam uitgescheiden na geïnduceerd cel- en weefselherstel [43]. In dit artikel werden de afbraak-eigenschappen van de nanovezelsteigers geëvalueerd met behulp van een massaverliesmethode, zoals weergegeven in Fig. 8. Het massaverlies van alle monsters nam toe na 7, 14 en 21 dagen, en de massaverliessnelheden van de PLA nanovezels waren respectievelijk 4,34 ± 0,41%, 7,84 ± 1,57% en 12,65 ± 0,83%. Ondertussen nam het massaverlies van de PANI/PLA-PA composiet nanovezels geleidelijk toe na de in situ oxidatieve polymerisatie, met massaverliespercentages van 31 ± 2.15%, 34 ± 1.86% en 40 ± 2.54% bij 7, 14 en 21 dagen, die significant hoger waren dan die van zowel PANI/PLA-HA als PANI/PLA-SA nanovezels. In het PANI in situ oxidatieve polymerisatieproces zou de aanwezigheid van het oxidatiemiddel APS de esterbinding in PLA kunnen hebben vernietigd en een hydrolysereactie hebben veroorzaakt, resulterend in microscheuren in de PLA-nanovezels. Met de verlenging van de PBS-onderdompelingstijd stapelden de microscheuren zich geleidelijk op en begon de PLA-matrix geleidelijk af te breken. De oppervlaktegeladen PANI viel ook af, wat resulteerde in een verlies van nanovezelkwaliteit. Met de toename in de tijd werd de massaverliesverhouding duidelijker. Hier, de sterke oxidatie van HClO₄ verergerde de afbraak van PLA en versnelde het massaverlies van de PANI/PLA-PA-nanovezels, wat consistent is met de mechanische eigenschappen weergegeven in Fig. 2.

Afbraakeigenschappen van PLA en PANI/PLA nanovezels

De biocompatibiliteit van bioactieve scaffolds is de basis voor het bevorderen van celadhesie, groei en proliferatie [44]. Hierin hebben we de celproliferatie van HOS op PLA en PANI/PLA composiet nanovezels bestudeerd om de daarmee gepaard gaande hechting en biocompatibiliteit te illustreren. Tijdens de chemische behandeling en functionalisering [45] kunnen een aantal potentiële beïnvloedende factoren een rol gaan spelen bij de voorbereiding van bioactieve scaffolds. Daarom is het onderzoeken van hun biocompatibiliteit essentieel om hun praktische toepassing te evalueren.

Om de biocompatibiliteit van PANI/PLA composiet nanovezels te onderzoeken, werd hun cellevensvatbaarheid geëvalueerd met behulp van een MTT-methode. Figuur 9 toont de celactiviteit geïncubeerd op PLA en PANI/PLA composiet nanovezels na 1, 3 en 5 dagen. De figuur laat duidelijk zien dat met de verlenging van de incubatietijd de celactiviteit van de nanovezels geleidelijk toenam; de PANI/PLA-PA-cellen vertoonden de beste activiteit en de celactiviteit na een kweek van vijf dagen was het hoogst.

Levensvatbaarheid van de cellen HOS gekweekt gedurende 1, 3 en 5 dagen op PLA-nanovezels en PANI/PLA-composiet-nanovezels (*p < 0,05; **p < 0.005)

PLA is biologisch afbreekbaar, maar hydrofoob, wat betekent dat het niet bevorderlijk is voor celadhesie, groei en proliferatie. Na de plasmabehandeling werd het oppervlak van de PANI/PLA-composiet nanovezels beladen met zuurstofbevattende groepen, en het functionele oppervlak vertoonde een goede hydrofiliciteit. De bovenstaande morfologie en AFM-resultaten geven aan dat de PANI gedoteerd met verschillende anorganische zuren verschillende morfologieën en ruwheidsniveaus vertoonden op het oppervlak van de PLA-nanovezels. Ondertussen vertoonden de PANI/PLA composiet nanovezels een uitstekende bevochtigbaarheid. Daarom waren we van mening dat de verschillende morfologieën van PANI gedoteerd met anorganische zuren leidden tot de verbetering van de oppervlakte-energie en polariteit van de PANI/PLA composiet nanovezels, wat bijgevolg de celgroei, migratie en proliferatie beïnvloedde, resulterend in verbeterde prestaties in termen van van celactiviteit [46].

Om het celgedrag van de PANI/PLA composiet nanovezels verder te bestuderen, werden de groei en adhesie op de nanovezels waargenomen via fluorescentie-immunokleuring (Fig. 10) en SEM (Fig. 11). Hier vergeleken we de actine- en celmorfologie op het oppervlak van verschillende nanovezels. Toen de cellen op de PLA-vezels en PANI/PLA-nanovezels groeiden, vertoonden de actinebundels een goede rektoestand. Ondertussen was de celdichtheid van de PANI/PLA-composiet nanovezels hoger dan die van de PLA-nanovezels van de controlegroep, met de celgroeidichtheid in de volgorde PANI/PLA-PA > PANI/PLA-SA > PANI/PLA-HA. De HOS-cellen groeiden op de PANI/PLA-nanovezels en hechtten zich in een platte multipolaire vorm. Het is duidelijk dat veel cellen waren ingebed in de poriën van de PANI/PLA-vezels, maar slecht uitgerekt waren op de PLA-nanovezels en niet volledig konden worden uitgezet. These results indicate that PANI/PLA composite nanofibers could promote the adhesion and proliferation of HOS cells.

Fluorescence micrographic images on a PLA nanofibers, b PANI/PLA-HA, c PANI/PLA-SA, and d PANI/PLA-PA composite nanofibers after the incubation of 24 h

SEM micrographs of HOS seeded on a PLA nanofibers, b PANI/PLA-HA, c PANI/PLA-SA, and d PANI/PLA-PA composite nanofibers after 24 h

Meanwhile, the cell immunofluorescence staining and cell adhesion results indicated that the different PANI morphologies on the surface of the PANI/PLA composite nanofibers affected the growth, adhesion, and proliferation of the HOS cells, which was consistent with the above results.

As an early osteogenic marker, the ALP test was conducted on PLA and PANI/PLA composite nanofibers scaffolds for 7 days. Compared to the pure PLA nanofibers, the result (Fig. 12) showed that the ALP activity was significantly improved in of PANI/PLA composite nanofibers. Obviously, the ALP activity of PANI/PLA-PA composite nanofibers is the best. These results proved that PANI/PLA composite nanofibers exhibited better biocompatible, which is consistent with the above results of cell adhesion, growth, and proliferation.

Alkaline phosphatase activity on PANI/PLA composite nanofibers scaffolds (ns = no significance)

Conclusies

In this paper, PANI/PLA composite nanofibers of different surface morphologies were prepared by three types of inorganic acid as dopant in in situ polymerization. We confirmed that PANI could be successfully loaded on the surface of PLA without changing the porous structure of the nanofibers. The mechanical properties and in vitro degradation experiments demonstrated that oxidizing acids can significantly weaken the mechanical properties and accelerate the degradation of polyester nanofibers. Meanwhile, the rougher surface resulted in a better wettability and promoted the cells adhesion, growth, and proliferation, which indicated a better biocompatibility. In conclusion, the regulated PANI morphology via different acids doping has positive effect on biocompatibility in tissue engineering.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

The authors declare that the materials and data are promptly available to readers without undue qualifications for material transfer agreements. All data generated or analyzed during this study are included in this article.

Afkortingen

PANI:: Polyaniline
PLA:: Polylactic acid
ECM:: Extracellular matrix
PPy:: Polypyrrole
PTH:: Polythiophene
AN:: Aniline
DCM:: Dichloormethaan
DMF:: N ,N -Dimethylformamide
APS:: Ammoniumpersulfaat
HOS:: Human osteosarcoma cells
DMEM:: Dulbecco's gemodificeerde Eagle-medium
PBS:: Fosfaatbuffer zoutoplossing
MTT:: 3–2,5-Diphenyl-2-H-tetrazolium bromide
FITC:: Fluoresceïne isothiocyanaat
FTIR:: Fourier-transformatie infraroodspectroscopie
FE-SEM:: Veldemissie scanning elektronenmicroscopie
XPS:: Röntgenfoto-elektronenspectroscopie
ALP:: Alkaline phosphatase

Stamonderzoek naar spinafhankelijke transporteigenschappen van γ-Graphyne nanoribbon tussen gouden elektroden Geremde MicroRNA-301 remt angiogenese en celgroei bij slokdarm-plaveiselcelcarcinoom door verhoging van PTEN

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal