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静电纺多糖纳米纤维特性及其再生医学应用进展

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再生t学利用生物学及工程学的理论方法创造已经丢失或功能损害的组织和器官，使其具备正常组织和器官的机构和功能。

再生医学探索领域包括通过移植细胞悬浮体或聚合体来代替受损组织;生产能够替代天然组织的生物化人工组织或器官的植入;通过药物手段对损伤组织进行再生诱导。

而静电纺丝制备的纳米纤维直径小于细胞，可模拟天然细胞外基质的结构和生物功能，是理想的细胞粘附增殖基质;此外，其天然的电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作为载体进入人体，并容易被吸收;纳米纤维与人的多数组织、器官在形式和结构上类似，使其有应用于组织器官的潜力。

静电纺丝纳米纤维还具有比表面积大、孔隙率高等特性，因此在再生医学领域引起了很大的关注，并已经在药物缓释控释载体、组织工程支架以及创伤辅料等方面得到了很好的应用。

1静电纺丝原理

静电纺丝是一种连续制备纳米纤维的高效技术。

主要装置包括3个部分：

供给静电压的高压电源装置、装填纺丝液针管的喷丝装置和接地的收集装置。

高压电源可以提供1～30V的直流电，高压电源使液体带电并被极化，最终从泰勒锥喷出形成射流。

喷丝装置是一个注射管，纺丝液装在带有针头的管中，溶液多为聚合物溶液或是熔融状态的熔体。

收集装置一般为接地的金属板，此外，还有a、b等接收形式，因此，使其收集到多样的纤维排列方式[1]。

其制备纳米纤维过程如图1所示。

静电纺丝是让具有一定程度分子缠结的聚合物溶液在高压静电的作用下使表面电荷斥力超过表面张力，产生泰勒锥并高速喷射出聚合物射流。

纺丝溶液的粘度是纺丝纤维形成的关键：

若粘度太小，在电场力的作用下会分离成小液滴;而射流粘度太高时，由于相邻单元的电斥力致使射流侧向凸出，几乎不能制得纤维[2]。

因此，可以通过使用合适的溶剂、调控溶液浓度等方式来提高静电纺丝的效果。

相比其他制备纳米纤维的方法，如自组装法、相分离法、模板合成法，静电纺丝具有设备简单、可纺物质种类多、成本低、技术可控等优点。

由于静电纺丝溶液中溶有很多功能性物质，且所得的纳米材料具有高比表面积、高孔隙率、良好韧性及轻便的特点[3]。

因此具有广泛的用途，可望应用于生物医学领域。

当前静电纺丝聚合物材料包括合成的、天然的以及二者的混合物。

相比于合成聚合物原料聚乙烯、聚丙烯及芳香族聚酯等，天然聚合物如多糖、蛋白质、脂类等具有低毒性、优良的生物相容性、可再生及生物降解性[4]。

最近研究电纺多糖及其衍生物的数量增加，然而关于多糖的加工性的困难例如：

差溶解度和高表面张力限制了其应用。

在这篇综述中，总结了壳聚糖、魔芋葡甘聚糖、纤维素、透明质酸等多糖的特征，以及目前正在使用或者有潜力应用的静电纺丝纳米纤维。

2静电纺多糖的研究

多糖是单糖的均聚物或共聚物，多糖可以在多种生物中发现，包括微生物和透明质酸和植物的化学结构、化学成分、分子重量和离子性质多种多样有助于其功能和生物活性的展现[5]。

迄今为止已经进行了许多研究，如电纺丝多糖及其衍生物制造的纳米纤维在再生医学中具有潜在的应用。

是天然生物大分子甲壳素通过脱乙酰而得到的衍生物。

它由1，4连接的N-乙酰基-β-D-葡糖胺组成，是世界上第二大天然聚合物。

它不仅具有优良的生物可降解性、生物相容性和生物黏附性，而且易加工成为膜状物或多孔支架[6]。

甲壳素类纤维独特的生物特性具体表现为组织亲和性、无免疫抗原性、促愈合性、抑菌性等，因而成为重要的生物医学材料之一。

Liang等[7]发现带负电的磷黄病毒an-iecoagen，HLC-壳聚糖chitoan纳米纤维薄膜，通过加入大分子量的聚环氧乙烷至300nm范围内。

在没有任何化学交联剂使用情况下，KGM水溶液通过低浓度NaOH稀释处理后，实现脱乙酰基，提高了KGM纤维支架的稳定性。

同时，KGM/壳聚糖双组分膜比较容易从稀酸溶液中获得，随着壳聚糖含量的增加，平均纤维直径从350nm降低到180nm。

关于生物学特性的研究表明纳米纤维支架为骨髓基质细胞提供更合适的空间，添加KGM可以提高壳聚糖材料的生物相容性。

预计KGM及其复合纳米纤维支架将具有潜在应用于一种新型生物医学材料。

王静[13]将羟基磷灰石、魔芋葡甘聚糖、透明质酸钠三者复合，制备可用于骨组织工程的三维多孔骨组织工程支架材料，并对复合支架进行了体外干细胞相容性实验，探讨复合支架的使用性能。

景森[14]发现，可以在KGM材料中引入一些具有生物特异性识别能力的多肽如缩氨酸，或分子识别介质如整连蛋白以上实验研究结果表明所制备的复合支架具有一定的降解性、无毒性和良好的生物相容性，有望用作骨支架材料。

23纤维素纤维素由1，4连接的β-D-葡萄糖单元组成。

由于其作为丰富的可再生资源和良好的生物降解性和生物系统相容性引起了很大的关注。

纤维素的材料已经广泛应用于制药和生物学领域，包括用作吸附珠、过滤器、人造组织皮肤和防化服[15]。

然而纤维素的加工受其在有机溶剂中有限的溶解度而限制。

纤维素比淀粉更容易结晶，纤维素需要320℃和25M的CA。

电纺丝纳米纤维的表面通过与。

CA含有银纳米颗粒的纤维对金黄色葡萄球菌，肺炎克雷伯菌，大肠杆菌和铜绿假单胞菌显示非常强的抗微生物活性。

具有杀菌性能的纳米纤维也由静电纺制含有氯己定CHX的CA溶液杀菌剂和有机钛酸酯TorTETTE作为交联剂制备的[21]。

所得纤维基质由于CHX固定在纤维上及未释放结合而在抑制区内，因此在接触时表现出对表皮葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌性能。

是一种线性多糖，由1，4连接的α-D-葡萄糖酸的交替二单元和1，3连接的β-N-乙酰基-D-葡萄糖胺组成。

HA是结缔组织ECM的主要成分，具有重要的生物学功能[22]。

由于优异的生物相容性和生物降解性，HA及其衍生物已被广泛应用生物医学领域包括组织工程支架，伤口敷料，药物输送系统和植入材料。

作为天然ECM的主要组成部分，类似于藻酸盐，电解HA水溶液是非常困难的，因为HA水溶液的粘度和表面张力异常高从而阻碍静电纺丝过程。

另外，由于静电纺丝时溶剂的蒸发不充分，HA的强保水能力导致电纺丝纳米纤维在集电体上融合。

只有在吹制辅助静电纺丝电喷吹系统的发展之后，才能从水溶液中将HA制成纳米纤维膜[23]。

使用DMF/水制造HA纳米纤维混合物平均直径=200nm，显著地降低了表面张力，而不改变HA溶液的粘度。

HA/明胶纳米纤维基质也可以通过这种方法生产平均直径=190～500nm。

HA通过与明胶，a-tic。

当前，生物信息学教学还处于起步阶段，对于生物信息学实践课还没有完善的教学模式和有效的教学方法，如何在医学院校进行生物信息学实践课教学还有待进一步探索。

1医学生物信息学的主要研究内容

1.1疾病基因的发现与鉴定

据相关研究表明，约有6000种以上的人类疾患与特异基因的改变有关，这些关键性基因或其产物的结构功能异常，可以直接或间接地导致疾病的发生。

目前，使用基因组信息学的方法通过超大规模计算是发现新基因的重要手段。

例如：

通过构建肿瘤cDNA文库，我们可以揭示肿瘤发生的分子水平变化，寻找靶基因。

1.2药物设计与新药研发

生物信息技术为药物研究、设计提供了崭新的研究思路和手段。

生物信息药物设计常用的方法有：

1三维结构搜寻，寻找符合特定性质和三维结构的分子，从而发现合适的药物分子。

2分子对接，建立大量化合物的三维结构数据库，依次搜索小分子配体使其与受体的活性位点结合，通过优化使得配体与受体的形状和相互作用最佳匹配。

3全新药物设计，利用计算机自动设计出与受体活性部位的几何形状和化学性质相匹配的结构新颖的药物分子。

生物信息学方法为药物研制提供了更多的、潜在的靶标，大大减少药物研发的成本，提高研发的质量和效率。

1.3流行病学研究中的应用

将流行病学的遗传和非遗传性的研究与生物信息学结合起来，会对疾病的机理、个体对某种疾病的易感性和疾病在群体中的分布有更明确的认识，对疾病的预防和治疗有极大的指导意义。

2医学生物信息学教学存在的问题

2.1缺乏实践课教材

目前，没有专门针对医学院校学生的生物信息学实践课教材。

而国内各大高校使用的生物信息学教材多为国外教材的影印版或者中文翻译版本，这些教材一般内容宽泛，需要学生具有较高的相关基础知识，并且偏重介绍生物信息学的理论和方法，对实践环节的指导较少。

3.2缺乏有效的教学方法。

很多院校开设生物信息学实践课仅是以验证理论课所讲授的内容为目的，缺乏针对学生特点的教学设计，讲授内容单调，忽视了对学生分析问题能力的培养。

4.3学生实践课学习基础存在差异

生物信息学实践课的授课内容需要学生使用计算机在网络环境下完成，这需要学生具有较强的计算机操作技能和网络运用能力。

不同学生在计算机的操作技能和网络使用能力上存在较大的差异。

另外，常用的数据库和软件基本上都是英文版本，这需要学生具有一定的英文素养，学生英文水平的差异也会影响他们对实践课学习的效果。

3医学生物信息学实施方法和对策

5.1建立具有模块化的教学大纲

根据医学生物信息学课程的特点，对授课内容进行调整，建立模块化的教学大纲，例如：

导论模块、数据库及使用模块、基因组信息学及其分析方法模块、蛋白质组生物信息学模块、代谢和药物生物信息学及系统生物学模块等，使学生清楚每个模块的特点和作用，提高学生的学习兴趣，激发学生的学习热情。

6.2强化实验教学

生物信息学的学习是运用生物、医学、数学、以及计算机科学等诸多学科知识进行分析、判断推理、综合的实践过程，强化实验教学显得尤为重要。

7.3结合多媒体技术与双语教学

教学过程中可以打开相关软件和网站进行演示，使抽象的生物信息学知识以具体的、动态的形式展现出来，从而加深学生对课程的掌握程度。

此外，生物信息学涉及到的数据库、网站、应用软件多为英文界面，所以双语授课显得尤为重要，教师可借助多媒体，对课程进行中英整合讲解。

8.4结合科研实例进行教学

教师可以结合现阶段的科研背景和具体的研究方向，结合实例进行教学，可以让学生真正掌握利用生物信息学方法解决生物学问题的思路，并培养和提高学生的科学思维能力。

4结语

生物信息学作为一门交叉学科，发挥了其独特的桥梁作用，已经广泛地渗透到医学的各个研究领域。

本文针对医学生物信息学课程的主要内容和教学模式进行了探讨，以期提高学生应用生物信息学的能力，培养综合型的、高素质、现代化医学人才。

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医学生物信息学课程教学的探究

-31

中图分类号：

G622文献标识码：

A

2世纪是生命科学的世纪，人类及模式生物基因组计划的全面实施，使分子生物学数据以爆炸性速度增长。

面对基因组学、蛋白质组学、基因芯片、分子进化等大量的生物信息，在计算机科学、网络技术以及生物分析技术的相互作用和渗透下，诞生了一门崭新的学科――生物信息学Bioinforma-tic。

当前，生物信息学教学还处于起步阶段，对于生物信息学实践课还没有完善的教学模式和有效的教学方法，如何在医学院校进行生物信息学实践课教学还有待进一步探索。

1医学生物信息学的主要研究内容

1.1疾病基因的发现与鉴定

据相关研究表明，约有6000种以上的人类疾患与特异基因的改变有关，这些关键性基因或其产物的结构功能异常，可以直接或间接地导致疾病的发生。

目前，使用基因组信息学的方法通过超大规模计算是发现新基因的重要手段。

例如：

通过构建肿瘤cDNA文库，我们可以揭示肿瘤发生的分子水平变化，寻找靶基因。

1.2药物设计与新药研发

生物信息技术为药物研究、设计提供了崭新的研究思路和手段。

生物信息药物设计常用的方法有：

1三维结构搜寻，寻找符合特定性质和三维结构的分子，从而发现合适的药物分子。

2分子对接，建立大量化合物的三维结构数据库，依次搜索小分子配体使其与受体的活性位点结合，通过优化使得配体与受体的形状和相互作用最佳匹配。

3全新药物设计，利用计算机自动设计出与受体活性部位的几何形状和化学性质相匹配的结构新颖的药物分子。

生物信息学方法为药物研制提供了更多的、潜在的靶标，大大减少药物研发的成本，提高研发的质量和效率。

1.3流行病学研究中的应用

将流行病学的遗传和非遗传性的研究与生物信息学结合起来，会对疾病的机理、个体对某种疾病的易感性和疾病在群体中的分布有更明确的认识，对疾病的预防和治疗有极大的指导意义。

2医学生物信息学教学存在的问题

2.1缺乏实践课教材

目前，没有专门针对医学院校学生的生物信息学实践课教材。

而国内各大高校使用的生物信息学教材多为国外教材的影印版或者中文翻译版本，这些教材一般内容宽泛，需要学生具有较高的相关基础知识，并且偏重介绍生物信息学的理论和方法，对实践环节的指导较少。

3.2缺乏有效的教学方法。

很多院校开设生物信息学实践课仅是以验证理论课所讲授的内容为目的，缺乏针对学生特点的教学设计，讲授内容单调，忽视了对学生分析问题能力的培养。

4.3学生实践课学习基础存在差异

生物信息学实践课的授课内容需要学生使用计算机在网络环境下完成，这需要学生具有较强的计算机操作技能和网络运用能力。

不同学生在计算机的操作技能和网络使用能力上存在较大的差异。

另外，常用的数据库和软件基本上都是英文版本，这需要学生具有一定的英文素养，学生英文水平的差异也会影响他们对实践课学习的效果。

3医学生物信息学实施方法和对策

5.1建立具有模块化的教学大纲

根据医学生物信息学课程的特点，对授课内容进行调整，建立模块化的教学大纲，例如：

导论模块、数据库及使用模块、基因组信息学及其分析方法模块、蛋白质组生物信息学模块、代谢和药物生物信息学及系统生物学模块等，使学生清楚每个模块的特点和作用，提高学生的学习兴趣，激发学生的学习热情。

6.2强化实验教学

生物信息学的学习是运用生物、医学、数学、以及计算机科学等诸多学科知识进行分析、判断推理、综合的实践过程，强化实验教学显得尤为重要。

7.3结合多媒体技术与双语教学

教学过程中可以打开相关软件和网站进行演示，使抽象的生物信息学知识以具体的、动态的形式展现出来，从而加深学生对课程的掌握程度。

此外，生物信息学涉及到的数据库、网站、应用软件多为英文界面，所以双语授课显得尤为重要，教师可借助多媒体，对课程进行中英整合讲解。

8.4结合科研实例进行教学

教师可以结合现阶段的科研背景和具体的研究方向，结合实例进行教学，可以让学生真正掌握利用生物信息学方法解决生物学问题的思路，并培养和提高学生的科学思维能力。

4结语

生物信息学作为一门交叉学科，发挥了其独特的桥梁作用，已经广泛地渗透到医学的各个研究领域。

本文针对医学生物信息学课程的主要内容和教学模式进行了探讨，以期提高学生应用生物信息学的能力，培养综合型的、高素质、现代化医学人才。