丝素材料表面微/纳米形貌对细胞及脊髓修复的引导作用

摘要

脊髓损伤修复是组织工程领域的一个富有挑战性的课题。利用生物材料的表面微图案化技术调控细胞的行为，构建具有微/纳米定向引导功能的支架，引导轴突的再生，是促进脊髓损伤修复的可能途径。而实现这一构想的前提是进一步认识细胞对材料表面微/纳米结构形貌的响应机制，充分认识其响应规律。本文以丝素生物材料为基础，从二维平面的丝素材料出发，探索丝素膜材料表面微/纳米拓扑结构的细胞响应行为并得出基本规律，继而将其应用丝素三维支架材料的制备，通过在三维支架中引入微/纳米引导信号和生物活性信号以促进脊髓损伤后的轴突再生。
　　首先，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）模板制备了带有微球阵列图案和微柱阵列结构的丝素膜，研究了骨髓间充质干细胞（BMSCs）对微形貌的响应行为。结果发现，丝素膜表面的微球阵列图案有利于细胞黏附和增殖，而仿荷叶结构的微柱结构则不利于细胞的黏附、铺展和增殖。在细胞黏附和铺展过程中，伪足的转变起着关键作用，细胞能够沿着锚定的丝状伪足形成小片状伪足引导片状伪足延伸，最终控制细胞铺展和迁移方向。另一方面，本文在观察BMSCs在微柱阵列结构表面的生长情况时，意外发现了微柱结构对细胞间隧道纳米管（TNTs）的延伸具有明显的影响。TNTs能够和微柱表面发生相互作用，微柱结构能够为TNTs的延伸提供支撑。同时，微柱结构也明显影响了TNTs的延伸方向，相邻的细胞间TNTs并没有以最近的距离形成直线连接，而是能够绕过微柱连接到相邻细胞。结果提示，材料的表面拓扑形貌可能影响TNTs连接的细胞间通讯。
　　其次，利用PDMS模板和静电纺技术制备了具有沟槽图案和定向微/纳米纤维涂层的丝素膜，研究了取向图案对BMSCs的定向引导作用。结果显示，丝素微/纳米纤维结构明显有利于细胞的黏附和增殖。在细胞定向伸展过程中，丝状伪足识别基底形貌并引导片状伪足在取向图案表面的定向延伸，表明丝状伪足引导的片状伪足极化在接触引导过程中起着关键作用。
　　再次，为了引导和促进轴突再生，制备了层粘连蛋白（LN）修饰的定向丝素微/纳米纤维网。通过调节滚轴转速获得了定向性良好的丝素微/纳米纤维网，在本文纺丝条件下，滚轴转速达到2000r/min（相应的表面线速度为10.47m/s）时，纤维定向和沉积良好。EDC活化成功地将LN固定到丝素纤维表面，提高了丝素微/纳米纤维的生物活性。细胞实验表明，LN修饰的定向丝素微/纳米纤维能够促进和引导 PC12神经元轴突生长。
　　最后，用定向的丝素微/纳米纤维构建了多通道的导管，并用LN加以功能化修饰，用于大鼠脊髓损伤修复。导管内部为一百微米到数百微米范围内的从小到大的多级通道，且每个通道均具有定向的微/纳米纤维引导信号。细胞实验证明，导管的LN修饰和内壁定向排列的纤维为轴突生长提供了生物活性信号和物理引导信号。在大鼠脊髓半切除模型中，通过行为学评价、组织学观察和免疫组化检测研究了LN交联的多通道导管对脊髓损伤的修复效果，并比较了多通道导管和单通道导管的促进作用。结果显示，两种导管均能明显减少瘢痕和空洞的形成，能够引导组织长入导管连接损伤远端。与单通道导管相比，多通道结构增大了导管内部比表面积，增大了细胞生长和迁移的附着面积，有利于更多的组织修复细胞和再生轴突长入并提供生长支持。行为学观察和BBB评分结果显示，多通道组大鼠的后肢功能改善更加明显。组织学观察和免疫组化结果显示，多通道结构加速了新生组织和血管的形成，增加了轴突的长入，其通道内组织长入更好，新生血管更加明显，髓鞘化的再生轴突数目明显增多。微/纳米纤维定向排列的多通道丝素导管能够促进和引导轴突再生，进而促进损伤脊髓的功能恢复。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 引言

1.1 细胞外基质的微/纳米形貌对细胞行为的影响

1.2 微纳米拓扑结构在组织工程中具有重要意义

1.3 脊髓损伤修复及其支架

1.4 丝素的结构、性能以及作为神经修复材料

1.5 本课题的提出和主要内容

第二章 丝素膜表面微形貌对BMSCs行为的影响

2.1 材料与方法

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 丝素材料表面取向图案对BMSCs的定向引导作用

3.1 材料与方法

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 丝素微/纳米纤维的定向排列和LN修饰对PC12细胞神经突生长的引导和促进作用

4.1 材料与方法

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 微/纳米纤维定向排列的多通道丝素导管及其对大鼠脊髓再生的引导作用

5.1 材料与方法

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

第六章 结语

6.1 全文结论

6.2 主要创新点

6.3 论文的不足和后续的研究工作

参考文献

攻读博士期间公开发表的论文

附录：论文中部分缩写符号的全称

致谢