生物材料表面與微環(huán)境構建對細胞行為的調控及在生物醫(yī)學工程應用.pdf

1、生物材料是一類目的在于和生物系統(tǒng)發(fā)生相互作用，來評價、治療、增強或替代某種組織、器官或者人體功能的材料。理解和認識生物材料-細胞界面以及優(yōu)化和設計生物材料的結構和性質，將對構建細胞外微環(huán)境以及生物醫(yī)學工程的具體實施具有重要的指導意義。本文針對目前廣泛關注的不同類型的微環(huán)境中材料學信號對細胞的作用進行了研究，其中包括，材料表面電荷微環(huán)境、納米顆粒微環(huán)境、生物因子微環(huán)境與仿生細胞外基質微環(huán)境，目的是揭示材料表面性質和細胞外微環(huán)境和細胞行為的

2、相互作用，為生物材料設計和制備奠定理論和實驗基礎。
　　本文的研究主要從以下幾個方面展開:
　　1.材料表面電荷對干細胞行為的影響:生物材料的表面物理性質和生物化學性質對細胞的貼壁、遷移、增殖和分化等行為有很大的影響。但是在調查單個物理或化學因素與細胞的相互作用時，很多研究并不能在單一變量的體系下進行。在單因素變量的二維模型中研究材料表面性質對細胞行為的影響可以更清楚的認識和理解細胞對材料表面性質的響應。生物材料表面電荷是影

3、響細胞行為的重要因素，但目前關于干細胞對表面電荷的響應尤其是表面電荷對干細胞分化的影響的研究很少。因此，本論文首次利用不同切割方向的鈮酸鋰單晶薄片構建化學成分相同、表面粗糙度相同的但具有不同電荷表面的單變量簡單模型，并用其作為二維培養(yǎng)基底來研究材料表面不同電荷狀態(tài)對間充質干細胞的貼壁、增殖以及成骨分化的影響。論文證實了相比于負電和中性表面，帶正電荷的表面可以促進細胞貼壁鋪展以及在體外誘導條件下增強大鼠間充質干細胞向成骨分化。
　　

4、2.細胞外微環(huán)境中納米晶體對干細胞的影響:干細胞在生物醫(yī)學尤其是再生領域的應用仍然面臨著重大挑戰(zhàn)，這包括發(fā)展先進技術來理解和控制微環(huán)境中的各種信號，以及新的手段來追蹤和引導植入的干細胞。納米材料在分子水平上和細胞特異性的作用是理解和控制干細胞的行為的重要工具。比如基于納米顆粒的載藥技術可以靶向釋放細胞所需的活性因子，靜電紡絲技術合成的納米纖維支架可以引導細胞的生長及組織形成，以及使用量子點和上轉化等納米材料進行細胞成像和追蹤。隨著這些大

5、量功能性的納米材料在生物醫(yī)學工程上的應用，干細胞對這些人為引入到微環(huán)境中的納米顆粒的響應需要確認和研究。本論文利用溶劑熱的方法制備了鈮酸鋰納米晶體，利用NIR飛秒激光器作為激發(fā)光源在雙光子顯微鏡下觀察大鼠間充質干細胞對微環(huán)境中鈮酸鋰納米晶體的主動內化吞噬，以及利用PCR和免疫染色等生物學手段表征鈮酸鋰納米晶體對干細胞分化的影響。論文證實了干細胞對微環(huán)境中納米晶體的主動響應和分化調控。
　　3.通過生長因子的緩釋構建組織修復生物微環(huán)

6、境:控制細胞行為的細胞外組成不僅包括如上所述的細胞外基質中不可溶的成分，還包括了激素和生長因子等可溶性的分子。所以除了利用生物材料本身表面和結構性質指導細胞行為，生物材料結合可溶性的生長因子來控制細胞分化和功能也是一個構建細胞外微環(huán)境的重要手段。目前，外科手術修復肌腱等結締組織仍舊是臨床上一個挑戰(zhàn)，缺損處組織修復后很難再達到原來的強度水平。為了在修復前期給缺損處提供初始的力學支持，人們嘗試通過增強縫合線的強度以及改進縫合線的抓握方法。雖

7、然這些方法能夠一定程度上幫助組織修復，但是這些方法并不能為組織修復創(chuàng)造合適的微環(huán)境，也不能調節(jié)修復的生物過程。因此，本論文首次提出基于多孔縫合線的生長因子緩釋體系來構建組織修復的微環(huán)境。研究使用一種簡單有效的溶脹-冷凍-干燥方法來制備具有多孔結構鞘層的縫合線而不降低其原有的機械強度。由于多孔結構的存在，縫合線內部的空間就可以被利用起來以實現(xiàn)更高的負載。另外，多孔結構結合使用纖維蛋白交聯(lián)網(wǎng)絡能減緩后續(xù)的釋放過程，研究實現(xiàn)了PDGF在體外生

8、理環(huán)境中長達11天的持續(xù)釋放。而且釋放的PDGF保持了原有的生物活性，能夠促進人類骨髓間充質干細胞的增殖。這種基于多孔縫合線的生長因子緩釋體系為構建組織修復微環(huán)境提供了新的策略。
　　4.利用天然細胞外基質仿生構建細胞外微環(huán)境的探索:細胞外基質(ECM)是一個結構和功能都很復雜的混合物，在細胞的行為和表型上起著非常重要的作用，因此人們努力嘗試希望能得到一個人造的ECM等價物，來給細胞提供一個模擬天然的微環(huán)境。將組織的細胞成分脫除得

9、到的脫細胞基質已經(jīng)越來越多的被用于組織再生和器官移植等再生醫(yī)學領域。但是由于天然的細胞外基質主要成分是膠原，支架材料的機械強度較低并且降解速率較快，這制約了其在組織工程尤其是骨組織工程上的應用。因此，本論文將使用優(yōu)化的脫細胞技術制備豬脫細胞真皮基質(PADM)，并使用碳化二亞胺作為交聯(lián)劑強化PADM，以此嘗試模擬細胞外基質微環(huán)境。得到的PADM支架保留了膠原天然的多孔結構，并有效保留了膠原和GAG等有效成分，去除了核酸和SDS等免疫反應

10、源;評價了碳化二亞胺作為零長度交聯(lián)劑對PADM支架的交聯(lián)作用，及交聯(lián)對支架強度和降解速率的影響;體外評估了前成骨細胞在交聯(lián)后PADM支架的生物活性。交聯(lián)后的PADM的力學強度和降解速率都可以通過交聯(lián)程度控制，作為仿生支架模擬細胞外微環(huán)境也可以很好地支持細胞向支架內部遷移。因此，本研究為使用天然細胞外基質來模擬細胞外基質微環(huán)境的探索提出了種可能性。
　　綜上所述，本論文主要致力于研究生物材料表面對細胞行為的調控以及探索細胞外微環(huán)境的