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

1、新一代生物材料的設(shè)計在很大程度上依賴人類對細胞-材料相互作用規(guī)律的認識。如果將細胞外基質(zhì)(ECM)和鄰近的其它細胞都看作是廣義“材料”的話，我們可以認為細胞本身就生存于“材料”世界里。生物體內(nèi)的細胞無時無刻不與“材料”發(fā)生接觸和相互作用，且細胞特定功能的實現(xiàn)在很大程度上也依賴于其所處的細胞微環(huán)境。生物材料學中的一個核心任務(wù)便是對細胞微環(huán)境進行仿生，即通過外界材料的設(shè)計與加工來模擬體內(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。因而，研究并揭示細胞-材料相互作用中各種因素的作用效應和機理在生物材料學、細胞生物學、組織工程和再生醫(yī)學中都極為重要，也是生物醫(yī)用材料中共性的重大科學問題。
　　在傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)體系中，影響細胞-材料相互作用的多種因素（細胞因素、細胞外基質(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)建具有細胞黏附反差特性的圖案，進而達到對細胞黏附的精確控制。該技術(shù)有望用于單獨研究各種因素對細胞

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

4、，借助于獨到的聚乙二醇(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胞黏附微陣列的技術(shù)，獲得了具有強烈細胞黏附反差的圖案化表面，實現(xiàn)了對細胞形狀的持久控制，并首次揭示細胞形狀是調(diào)控干細胞分化的一種內(nèi)在因素。發(fā)展了圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)，設(shè)計并制

5、備了具有持久抗細胞黏附反差的PEG水凝膠微米圖案，為單細胞形狀的持久控制提供了強有力的材料手段。利用該圖案化技術(shù)，本研究在國際上首次實現(xiàn)了對細胞形狀長達19天的控制。發(fā)現(xiàn)干細胞形狀在誘導液和基礎(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發(fā)揮作用的調(diào)控機理作了探討，首次揭示并確證了形狀效應是一種內(nèi)在的、獨立于可溶性誘導因子的影響細胞分化行為的因素。這

6、也表明在不借助于外界任何可溶誘導因子的條件下，可以通過單獨的材料手段實現(xiàn)對干細胞形狀的控制進而調(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胞行為的影響，發(fā)現(xiàn)分子手性特征可以顯著影響干細胞的黏附和分化。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特抗細胞黏附反差水凝膠微米圖案的制備，本研究同時設(shè)計并制備了分子手性（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)干細胞進行了培養(yǎng)與誘導分化。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致了蛋白吸附及細胞黏附面積的差異（對應于不同的細胞應力），進而影響了干細胞的分化行為。
　　(3)設(shè)計并制備了具有幾何手性微米島的PEG水凝膠表面，首次探討了細胞黏附微環(huán)境的幾何手性特征對干細胞行為的影響，并發(fā)現(xiàn)該幾何手性特征是細胞極性和分化的調(diào)控因素。在持久抗細胞黏附的P

8、EG水凝膠表面成功設(shè)計、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胞黏附和分化狀況的統(tǒng)計，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)）能夠顯著影響干細胞的極性取向和分化行為。進一步分析表明，細胞在幾何手性微米圖案上經(jīng)“誘導”產(chǎn)生的細胞極性和細胞骨架可能存在的“固有手性特征”共同作用導致了順時針和逆時針圖案上細胞應力的差異，進而最終影響了干細胞的分化行為。順時針圖案上干細胞應力相對較大而利