基于材料表面圖案化技術(shù)研究細(xì)胞形狀和表面手性特征對干細(xì)胞黏附與分化的影響.pdf

1、新一代生物材料的設(shè)計(jì)在很大程度上依賴人類對細(xì)胞-材料相互作用規(guī)律的認(rèn)識。如果將細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)和鄰近的其它細(xì)胞都看作是廣義“材料”的話，我們可以認(rèn)為細(xì)胞本身就生存于“材料”世界里。生物體內(nèi)的細(xì)胞無時無刻不與“材料”發(fā)生接觸和相互作用，且細(xì)胞特定功能的實(shí)現(xiàn)在很大程度上也依賴于其所處的細(xì)胞微環(huán)境。生物材料學(xué)中的一個核心任務(wù)便是對細(xì)胞微環(huán)境進(jìn)行仿生，即通過外界材料的設(shè)計(jì)與加工來模擬體內(nèi)ECM的結(jié)構(gòu)與功能，從而幫助組織或器官獲得快速而有效的

2、修復(fù)。因而，研究并揭示細(xì)胞-材料相互作用中各種因素的作用效應(yīng)和機(jī)理在生物材料學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、組織工程和再生醫(yī)學(xué)中都極為重要，也是生物醫(yī)用材料中共性的重大科學(xué)問題。
　　在傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)體系中，影響細(xì)胞-材料相互作用的多種因素（細(xì)胞因素、細(xì)胞外基質(zhì)因素和可溶性因子）往往混雜在一起而難以分開。得益于先進(jìn)材料的發(fā)展，材料表面圖案化技術(shù)可用于構(gòu)建具有細(xì)胞黏附反差特性的圖案，進(jìn)而達(dá)到對細(xì)胞黏附的精確控制。該技術(shù)有望用于單獨(dú)研究各種因素對細(xì)胞

3、黏附、遷移、增殖和分化等行為的影響，從而為深入準(zhǔn)確地理解細(xì)胞-材料相互作用提供獨(dú)到的手段。
　　骨髓基質(zhì)干細(xì)胞具有自我復(fù)制更新的能力和多向誘導(dǎo)分化潛能，且可以取自于成體而不涉及倫理問題，因而成為再生醫(yī)學(xué)和組織工程中理想的種子細(xì)胞類型。在干細(xì)胞相關(guān)的研究領(lǐng)域，考察并了解調(diào)節(jié)干細(xì)胞分化的各種因素一直是科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)，這些因素的組合應(yīng)用能夠最大程度地保障干細(xì)胞朝著需要的方向進(jìn)行定向分化。
　　本博士論文以骨髓基質(zhì)干細(xì)胞為模型細(xì)胞

4、，借助于獨(dú)到的聚乙二醇(PEG)高分子水凝膠圖案化技術(shù)和分子自組裝技術(shù)研究了細(xì)胞形狀、基底表面的分子手性特征（分子旋光性）和幾何手性特征對干細(xì)胞黏附與分化行為的影響。
　　本文的主要創(chuàng)新性工作和科學(xué)發(fā)現(xiàn)包含以下幾個方面:
　　(1)發(fā)展了聚乙二醇水凝膠表面制各細(xì)胞黏附微陣列的技術(shù)，獲得了具有強(qiáng)烈細(xì)胞黏附反差的圖案化表面，實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞形狀的持久控制，并首次揭示細(xì)胞形狀是調(diào)控干細(xì)胞分化的一種內(nèi)在因素。發(fā)展了圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)，設(shè)計(jì)并制

5、備了具有持久抗細(xì)胞黏附反差的PEG水凝膠微米圖案，為單細(xì)胞形狀的持久控制提供了強(qiáng)有力的材料手段。利用該圖案化技術(shù)，本研究在國際上首次實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞形狀長達(dá)19天的控制。發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞形狀在誘導(dǎo)液和基礎(chǔ)培養(yǎng)液環(huán)境下均能顯著影響其分化行為:成骨分化在長徑比為2左右達(dá)到峰值，而成脂分化隨著長徑比的增加單調(diào)下降。此外，本文還對這一形狀效應(yīng)發(fā)揮作用的調(diào)控機(jī)理作了探討，首次揭示并確證了形狀效應(yīng)是一種內(nèi)在的、獨(dú)立于可溶性誘導(dǎo)因子的影響細(xì)胞分化行為的因素。這

6、也表明在不借助于外界任何可溶誘導(dǎo)因子的條件下，可以通過單獨(dú)的材料手段實(shí)現(xiàn)對干細(xì)胞形狀的控制進(jìn)而調(diào)控其分化行為。
　　(2)綜合有無圖案化分子手性表面的制備，首次考察了材料表面分子的旋光性對干細(xì)胞行為的影響，發(fā)現(xiàn)分子手性特征可以顯著影響干細(xì)胞的黏附和分化。利用L型半胱氨酸和D型半胱氨酸在金表面的接枝修飾和獨(dú)特抗細(xì)胞黏附反差水凝膠微米圖案的制備，本研究同時設(shè)計(jì)并制備了分子手性（L型和D型）表面與分子手性物質(zhì)的微圖案，并在這些表面對骨髓

7、基質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行了培養(yǎng)與誘導(dǎo)分化。研究結(jié)果首次揭示了材料的分子手性特征能顯著影響干細(xì)胞的黏附與分化行為。更深入的研究表明，材料表面的分子手性特征很可能是由于首先導(dǎo)致了蛋白吸附及細(xì)胞黏附面積的差異（對應(yīng)于不同的細(xì)胞應(yīng)力），進(jìn)而影響了干細(xì)胞的分化行為。
　　(3)設(shè)計(jì)并制備了具有幾何手性微米島的PEG水凝膠表面，首次探討了細(xì)胞黏附微環(huán)境的幾何手性特征對干細(xì)胞行為的影響，并發(fā)現(xiàn)該幾何手性特征是細(xì)胞極性和分化的調(diào)控因素。在持久抗細(xì)胞黏附的P

8、EG水凝膠表面成功設(shè)計(jì)、并制備了具有幾何手性特征的螺線圖案（順、逆時針旋轉(zhuǎn)）。根據(jù)對幾何手性圖案表面單細(xì)胞黏附和分化狀況的統(tǒng)計(jì)，本研究首次發(fā)現(xiàn)，基底螺線圖案的手性特征（順、逆時針旋轉(zhuǎn)）能夠顯著影響干細(xì)胞的極性取向和分化行為。進(jìn)一步分析表明，細(xì)胞在幾何手性微米圖案上經(jīng)“誘導(dǎo)”產(chǎn)生的細(xì)胞極性和細(xì)胞骨架可能存在的“固有手性特征”共同作用導(dǎo)致了順時針和逆時針圖案上細(xì)胞應(yīng)力的差異，進(jìn)而最終影響了干細(xì)胞的分化行為。順時針圖案上干細(xì)胞應(yīng)力相對較大而利