生物材料的表面特性对细胞行为的影响

摘要

天然的组织中，细胞外基质(ECM)是由纤维状蛋白与凝胶样基质构成的精密有序的结构网络。其在不同的组织中或同一组织的不同发育阶段组成构造有所不同，为细胞提供了丰富的信息环境。组织工程致力于研制具有卓越的生物学性能的3D结构支架对受损组织进行修复。在此，支架不仅能代替天然细胞外基质为细胞提供生长环境，还能刺激体内固有的修复机制来重建损伤组织并使其恢复原有功能。本论文结合材料的表面修饰及材料的表面形貌两个方面，研究了材料的表面特性对细胞增殖及细胞分化的影响。
　　 应用于组织修复领域的生物材料必须具备植入体内反应可控，可预测，无毒，无抗原，无刺激，无遗传毒性，无致癌物等特性;且在不同的应用中材料需满足不同的要求。某些材料可通过表面修饰的方法改善其生物相容性。在材料表面修饰的研究中，我们采用末端分别修饰马来酰亚胺和琥珀酰亚胺的PEG链作为交联剂，将含有RGD序列的短肽分子共价修饰到表面含氨基的壳聚糖材料表面。壳聚糖是一种天然几丁质的衍生物，被广泛应用于组织工程，且经过脱乙酰作用，壳聚糖主链上含有许多活性基团，如氨基和羟基，故其表面可进一步功能化以改良其性能。同时，通过静电纺丝的方法可制备不同排列的壳聚糖纳米纤维，纳米纤维可以模拟天然细胞外基质，其排列方式能影响细胞的形貌，而修饰RGD后能有效提高纤维支架上细胞的活性。
　　 除了壳聚糖等天然材料外，可降解的聚酯类材料也是组织工程中广泛研究的一大类聚合物生物材料。近来，在众多聚酯材料中，由细菌合成的聚3-羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)由于其具备良好的生物相容性，被广泛关注。然而，与多数聚酯高分子材料类似，PHBV表面疏水且不具备促进细胞粘附的活性位点。因此，有必要改变PHBV膜表面性质，引入活性生物分子以促进细胞粘附及增殖。由于PHBV表面无任何活性位点，故可通过氨等离子体处理的方法引入氨基后再进行修饰。在氨等离子体处理后，可在PHBV表面产生氨基，后经与PEG交联剂的反应可将含RGD序列的短肽接枝到表面。这一修饰方法能很好地保留RGD序列的生物活性，增加修饰后材料的细胞相容性;同时，修饰过程中引入的PEG链能有效减少材料表面的非特异性蛋白吸附，从而降低植入体内后血栓形成的可能性。
　　 除了材料表面的化学基团能改善材料的生物相容性，材料的表面形貌也能影响表面细胞的行为。在材料表面形貌对细胞行为影响的研究中，我们在材料表面构筑了三维纳米孔结构以及二维微米级化学图案，选择了大鼠骨髓间充质干细胞为研究对象，研究了骨髓间充质干细胞在不同形貌的表面的分化。间充质干细胞存在于肌肉，滑膜，脂肪组织和骨髓等组织中，是一类具有较强的自我增殖能力和多向分化潜能的细胞，非常适用于细胞治疗和组织修复。
　　 生物高分子材料表面纳米结构制备的方法主要有纳米压印法，直写成型法以及胶体晶体模板法等方法，不同的方法各有利弊，分别适用于不同的场合。在此，我们使用二氧化硅纳米球排列的胶体晶体模板可简便地制备聚苯乙烯反蛋白石结构膜。聚苯乙烯材料性质稳定且对无毒性，常用于制备细胞培养耗材。其制得的反蛋白石结构膜结构稳定，不易降解损坏，是研究膜表面纳米结构与细胞之间相互作用的良好材料。本实验中，于聚苯乙烯膜表面制备的纳米孔直径为90.32±8.52nm，间距为132.61±40.3nm，排列不完全规则。在其上培养大鼠骨髓间充质干细胞，可在不依赖成骨诱导液的条件下诱导间充质干细胞向成骨细胞分化。避免了成骨诱导液中某些化学成分，如地塞米松与β-甘油磷酸钠等对细胞的刺激。同时，在反蛋白石结构膜表面的细胞形态不同于平面膜表面，细胞更铺展且具有更多伪足。推测这是由于反蛋白石结构膜表面粗糙度较大，能提供更多的细胞粘附位点。细胞骨架肌动蛋白通过细胞膜上的整联蛋白与细胞外基质结合，从而激活MAPK信号通路，诱导间充质干细胞向成骨细胞分化。
　　 为了进一步研究细胞骨架对间充质干细胞分化的影响，可通过表面二维微图案来限制细胞的铺展，从而影响细胞骨架的分布。通过紫外光照法可在POEGMA抗蛋白吸附膜上制备不同尺寸的高选择性二维化学图案，控制细胞生长区域。通过表面细胞培养证明所按此方法制备的微图案具有较高的稳定性。间充质干细胞在大尺寸图案上铺展而在小尺寸图案上更趋于球形，即两种图案上细胞骨架分布显著不同。同时，在成脂/成骨混合诱导液中，间充质干细胞在大尺寸图案上更趋于向成骨细胞分化而在小尺寸图案上成骨分化不显著。这也说明间充质干细胞的分化与细胞骨架相关，不同形貌的支架可通过控制细胞骨架的分布激活特定的信号通路从而控制细胞的分化。因此，从以上两部分实验可以得出，材料的表面形貌能通过影响细胞骨架的组装及分布从而影响细胞的分化。
　　 综上所述，表面修饰或表面微/纳图案化均能有效影响细胞的行为，如细胞的增殖，分化等。以上这些工作为组织修复支架的研制提供了实验基础。

目录

声明

摘要

简写对照表

第一章 绪论

1．1 组织工程相关生物材料支架

1．1．1 概述

1．1．2 生物材料的分类

1．1．3 聚合物材料

1．1．4 天然材料

1．2 生物材料的表面修饰

1．2．1 修饰生物活性分子

1．2．2 表面修饰抗蛋白吸附分子

1．3 不同类型支架的制备

1．3．1 纳米纤维支架

1．3．2 多孔支架

1．3．3 水凝胶支架

1．4 材料表面图案化技术

1．4．1 光刻蚀法

1．4．2 软刻蚀法

1．4．3 纳米压印法

1．4．4 直写成型法

1．4．5 胶体晶体模板法

1．5 生物材料表面特性对细胞行为的影响

1．6 本论文主要内容

参考文献

第二章 定向/非定向壳聚糖纳米纤维表面修饰RGD及其细胞相容性的研究

2．1 引言

2．2 材料和方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 壳聚糖纳米纤维的制备

2．2．3 壳聚糖纳米纤维的表面修饰及XPS表征

2．2．4 细胞培养及接种

2．2．5 吖啶橙染色

2．2．6 细胞活性检测

2．2．7 细胞形貌观察

2．2．8 统计分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 静电纺丝法制备壳聚糖纳米纤维

2．3．2 壳聚糖纳米纤维表面修饰前后的XPS检测

2．3．3 细胞粘附，铺展及活性检测

2．4 结论

参考文献

第三章 疏水性聚合物PHBV膜的表面修饰及其生物相容性研究

3．1 引言

3．2 材料和方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 制备PHBV膜及表面修饰

3．2．3 X-射线光电子能谱(XPS)分析

3．2．4 接触角分析

3．2．5 NIH 3T3细胞培养

3．2．6 吖啶橙染色

3．2．7 细胞活性检测

3．2．8 光波导模式谱(OWLS)检测血清蛋白的吸附

3．2．9 纤维蛋白原吸附实验

3．2．10 统计分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 PHBV膜表面修饰前后的XPS检测

3．3．2 修饰前后PHBV膜的亲疏水性检测

3．3．3 细胞相容性实验

3．3．4 修饰前后PHBV膜表面的非特异性血清蛋白吸附检测

3．3．5 修饰前后PHBV膜表面的人血浆纤维蛋白原的吸附检测

3．4 结论

参考文献

第四章 聚苯乙烯反蛋白石结构膜诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞的分化

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 聚苯乙烯(PS)反蛋白石结构膜的制备及表征

4．2．3 大鼠骨髓间充质干细胞的提取及培养

4．2．4 大鼠骨髓间充质干细胞的纯度鉴定

4．2．5 大鼠骨髓间充质干细胞的分化检测

4．2．6 间充质干细胞的形貌观察

4．2．7 统计

4．3 实验结果及讨论

4．3．1 聚苯乙烯反蛋白石结构膜的制备及表征

4．3．2 大鼠骨髓间充质干细胞的提取，纯化及鉴定

4．3．3 聚苯乙烯反蛋白石结构膜及平面膜表面间充质干细胞向成骨细胞的分化

4．4 结论

参考文献

第五章 高选择性微图案对间充质干细胞分化的影响

5．1 引言

5．2 材料和方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 表面高选择性二维化学微图案的制备及表征

5．2．3 细胞培养

5．2．4 大鼠骨髓间充质干细胞的分化及检测

5．2．5 统计分析

5．3 实验结果及讨论

5．3．1 表面高选择性微图案的制备

5．3．2 表面微图案的稳定性

5．3．3 大鼠骨髓间充质干细胞在不同尺寸的微图案上的行为

5．4 结论

参考文献

第六章 总结

6．1 论文的总结

6．2 论文的创新与展望

6．2．1 论文的创新

6．2．2 论文的展望

发表的论文及专利申请

致谢