生物医用材料 · 文献综述

静电纺丝眼科与角膜修复材料:细胞载体、透明结构与研究进展

眼科纤维膜可以是角膜缘细胞的培养与递送载体,也可以是引导基质排列的支架,或承载角膜内皮细胞的薄膜。不同任务对形状、透明性和湿态操作的要求并不相同。本文从代表性研究出发,介绍静电纺丝如何参与这些结构的制备,以及哪些观察能够支持下一步样品开发。

通力微纳整理6篇代表性研究

本文选取2011—2026年发表的6篇原始研究,涵盖美国、英国、中国、韩国及印度等地团队参与的工作,作叙述性综述。内容为通力依据公开文献独立归纳,区分细胞培养、离体眼实验与活体动物研究,不评价商业产品。

01先区分角膜缘基质和内皮的材料需求

同样被称作角膜修复膜,实际可能承担不同任务。角膜缘及眼表载体关注细胞附着、扩展和递送;基质支架关注纤维与细胞外基质的组织方式;内皮载体则需要承载细胞层,并考虑通透和操作。研发初期明确目标组织层,可以避免把一种细胞的结果套用到另一种用途。1,2,3,4,5,6

眼科与角膜修复的结构与评价思路
应用方向样品形态文献中的重点
角膜缘与眼表细胞载体薄膜、带微结构的环状载体、复合羊膜细胞扩展、湿态完整性和递送 3,4,6
角膜基质组织工程取向纤维和层状培养基底细胞表型、胶原排列与光散射 1,2
角膜内皮细胞载体薄而可操作的透光膜细胞连接相关标志物、通透性及离体贴附 5

在这些用途里,静电纺丝既可以直接形成培养表面,也可以作为另一种材料的增强层。膜本身透明、细胞能够存活、以及完整角膜恢复视觉功能,是不同层次的问题,需要对应的观察方法,不能相互替代。

02静电纺丝提供哪些角膜材料结构选择

已有研究采用胶原、明胶和可降解聚合物构建纤维层,通过收集器改变排列,通过模板形成微结构,或与天然组织基质复合。配方和结构共同决定细胞接触界面;膜的厚度、吸水后形态及后处理也会影响最终使用方式。1,2,3,4,5,6

取向纤维和微结构模板回答不同问题

取向纤维主要提供微观排列线索,适合比较细胞和新生基质是否沿特定方向组织;带微凹槽或微囊袋的模板,则用于安排细胞所在的空间。两者可以分别研究,不必在第一批样品中同时加入所有结构。2,3

透光和湿态稳定需要一起设计

减少厚度可能改变操作强度,调整纤维间隙可能影响细胞覆盖和物质通过,交联或共混又可能改变吸水后的形态。因此,更有用的比较对象是完成后处理、按实际条件浸湿的最终膜片,而不只是刚收集到的干态纤维。5,6

03角膜基质研究 从细胞排列到新生基质组织

Phu等2011年比较兔来源角膜成纤维细胞在取向与非取向Ⅰ型胶原纤维上的表现,同时考察与肌成纤维表型相关的α-SMA和光散射。取向支架组在该体外条件下呈现较低的相关标志物表达及光散射。研究说明,评价不能停留在细胞数量,还可以观察其表型与光学表现。1

Wu等2012年使用取向聚酯氨酯脲(PEUU)纤维培养人角膜基质干细胞。细胞在取向基底上形成较有组织的胶原基质;随机纤维或平膜上的细胞也能形成基质,但组织方式不同。这项体外工作把纤维排列的作用从细胞外形扩展到细胞所产生的材料。2

两篇研究也提醒,培养条件和基底结构应分别控制。取向与随机样品若同时具有不同面密度或厚度,就难以把结果全部归因于方向变化。初步筛选时可保留平膜和随机纤维对照,再逐步增加层间角度等变量。

04角膜缘细胞载体 从人工微环境到复合膜

Ortega等2013年先用微立体光刻制备带微结构的模板,再沉积PLGA纤维,得到具有微囊袋等特征的环状载体。研究使用兔角膜缘上皮及基质细胞开展初步评价,尝试构建可容纳细胞的人工微环境。它属于制备与体外研究,并非已经证实可替代完整角膜的材料。3

Zhou等2019年则采用另一条路线:将PCL纳米纤维网与脱细胞羊膜进行界面结合,增强材料的力学与缝合保持表现,同时保留羊膜的生物学作用。在碱烧伤造成角膜缘干细胞缺乏的兔模型中,复合膜支持细胞移植,并观察到再上皮化、炎症及新生血管相关改善。这里的修复结果属于活体动物证据。4

这两种方案对应不同研发起点:已有细胞培养流程的团队,可研究模板与细胞分布;已有天然膜材料的团队,可研究纤维增强层及界面结合。后者尤其需要区分增强后膜的操作改善与细胞所产生的修复作用,避免将复合体系的全部效果归给电纺层。

05湿态稳定为什么会成为角膜载体的关键问题

Villanueva Navarrete等2026年针对PLGA载体浸湿后完整性和操作性的问题,比较不同PLGA/PCL组成。在论文所测试体系中,含30% PCL的配方较好地保持了干湿态机械表现,并支持人及猪角膜缘组织块的细胞向外生长。这是组织块培养和材料测试,使用人来源组织并不意味着开展了患者移植。6

这一研究把一个容易在显微图中被忽略的问题具体化:细胞可以在膜上生长,但如果膜在转移、铺展或浸湿后变得难以操作,仍会限制载体使用。该配比是其材料规格与实验条件下的结果,不是所有PLGA/PCL角膜膜片都应采用的固定配方。6

06内皮细胞载体 薄膜要同时考虑透光通透与递送

Song等2024年将明胶电纺为纳米纤维膜,再进行交联,研究其透光、力学、通透和降解行为。作者培养人及兔角膜内皮细胞,观察细胞连接和功能相关标志物,并在新鲜离体兔眼中进行递送与贴附实验。论文显示了膜作为内皮细胞载体的可行性,但不是活体动物长期疗效或人体视力改善研究。5

内皮载体的设计目标与眼表覆盖膜不同:它需要在薄膜操作、细胞层保持和物质交换之间协调。若后续希望评价是否恢复角膜的水分调节功能,还需要相应功能试验及疾病模型,不能只依据标志物表达作出判断。本文选取的研究尚不足以形成这些电纺角膜材料的人体疗效结论。

对眼科材料开发而言,离体实验的价值是让培养膜接受更接近实际递送的空间和操作检验。它比单纯培养多回答了一部分问题,但仍缺少活体中的长期降解、炎症和组织相互作用,阅读时应保留这个阶段界限。

07从文献方案走向可重复的眼科纤维膜样品

先确定细胞和膜的任务

可以先明确目标是培养基底、细胞递送膜还是组织修复支架,再说明细胞类型、培养时间、膜片尺寸和最终转移方式。不同目标会影响厚度、降解和透明性的取舍,也决定是否需要环形、取向或多层收集结构。

用相同条件比较光学与结构

透光测试应记录样品厚度、干湿状态、检测波段和参照,必要时区分透光与光散射。对于含细胞样品,还应区分膜本身与细胞或新生基质的贡献。文献中的某个透光数值不能脱离这些条件直接变成产品目标。1,5

将后处理与最终样品绑定

交联、清洗、干燥及灭菌可能改变膜结构和细胞接触界面。可以将每个步骤与最终厚度、湿态尺寸和细胞评价对应记录,按具体材料体系验证残留及生物相容性。扩大制备面积后,还需要检查有效区域内的均匀性与裁切后的完整性。

设备沟通可围绕稳定供液、薄层沉积、取向收集、模板适配和环境控制展开。样品需求越具体,越容易判断静电纺丝负责独立膜、天然基材增强层,还是复合组织结构中的某一部分。

08眼科电纺材料研发中的常见问题

电纺膜能够培养角膜细胞就能用于角膜移植吗

细胞培养说明特定体系下的相容与生长情况。递送、植入后反应和功能恢复还需要不同阶段的验证。本文中的基质培养、离体内皮递送和兔眼表修复,分别回答不同问题。2,4,5

眼科材料一定需要整张膜完全透明吗

应结合放置位置和任务判断。角膜基质替代、角膜缘环状载体和短期细胞递送膜的设计需求并不相同。先确定光学区域、保留时间及目标功能,再设置光学评价,比单纯追求薄膜外观透明更有意义。1,2,3,5

已有天然膜材料还能结合静电纺丝吗

可以将纤维作为增强或细胞接触层进行研究。复合羊膜的工作提供了实例,但需要同时验证界面结合、湿态操作和生物学作用是否保留,而不是只叠加两种材料。4

参考文献

以下为本文所用原始研究。文献[1,3,5,6]结合全文相关章节核读,[2,4]依据原始摘要及书目信息整理。研究解读不表示论文作者、机构与通力存在设备采购或合作关系。

  1. Phu D, Wray LS, Warren RV, et al. Effect of Substrate Composition and Alignment on Corneal Cell Phenotype. Tissue Engineering Part A. 2011;17(5–6):799–807.

    DOI:10.1089/ten.tea.2009.0724 ↗

    阅读范围:PMC原始全文摘要、方法和结果相关章节

  2. Wu J, Du Y, Watkins SC, et al. The engineering of organized human corneal tissue through the spatial guidance of corneal stromal stem cells. Biomaterials. 2012;33(5):1343–1352.

    DOI:10.1016/j.biomaterials.2011.10.055 ↗

    阅读范围:PubMed原始摘要与作者机构文献记录

  3. Ortega Í, Ryan AJ, Deshpande P, et al. Combined microfabrication and electrospinning to produce 3-D architectures for corneal repair. Acta Biomaterialia. 2013;9:5511–5520.

    DOI:10.1016/j.actbio.2012.10.039 ↗

    阅读范围:本地原始全文摘要、制备方法及结论

  4. Zhou Z, Long D, Hsu CC, et al. Nanofiber-reinforced decellularized amniotic membrane improves limbal stem cell transplantation in a rabbit model of corneal epithelial defect. Acta Biomaterialia. 2019;97:310–320.

    DOI:10.1016/j.actbio.2019.08.027 ↗

    阅读范围:PubMed原始摘要与书目信息

  5. Song E, Chen KM, Margolis MS, et al. Electrospun Nanofiber Membrane for Cultured Corneal Endothelial Cell Transplantation. Bioengineering. 2024;11(1):54.

    DOI:10.3390/bioengineering11010054 ↗

    阅读范围:原始摘要及公开全文引言、方法、结论;核对为ex vivo实验

  6. Villanueva Navarrete D, Sandoval-Castellanos AM, Gunen M, et al. Wet-stable PLGA–PCL electrospun membranes as synthetic scaffolds for corneal applications. Biomedical Materials. 2026;21(2):025033.

    DOI:10.1088/1748-605X/ae57f1 ↗

    阅读范围:作者机构存档的正式全文摘要、方法、结果与结论

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