纳米仿生芯片上皮肤细胞创伤修复的交流阻抗分析研究

The monitoring of wound healing for skin cells is of great significance to achieve the accelerated and scarless skin wound repair, and it is the frontier and focus of current regenerative medicine and plastic surgery research. The ways to achieve the controllable sizes, and multi-function of cell culture substrates - nano-mimetic chips, and the real-time monitoring and quantitative analysis of oriented cell behaviors become the key technical problems that desiderate to solve. In this project, we plan to combine the techniques of nanoimprint, reactive ion etching and electrodeposition for the development of new methods to fabricate a series of nano-mimetic chips with precisely controllable sizes and multifunction, including the contact guidance of oriented skin cell behaviors, the collection of impedance signals with improved sensitivity and the capture of cell images. The impedance monitoring and analysis platform would be constructed on the nano-mimetic chips to real-time and high sensitively monitor the oriented behaviors of dermal fibroblasts and epidermal keratinocytes, which are the main functional cells during the process of skin wound repair. The model of the correlation between impedance responses and oriented cell behaviors would be first established through the data fitting and calculations. Thus, the oriented cell behaviors can be quantitatively analyzed, and the monitoring of wound healing for skin cells can be realized based on this model through the impedance, which are expected to provide data and technologic supports for the clinical studies of wound repair for the human skin.

皮肤细胞创伤修复的监控对实现皮肤伤口愈合的理想状态—伤口既能加速愈合又不形成瘢痕，具有非常重要的作用，是当前再生医学和整形科学的研究前沿和热点。如何实现细胞培养基底—纳米仿生芯片的结构尺寸可控和多功能性以及细胞定向行为的实时监测和定量分析成为该研究亟需解决的关键技术难题。本项目拟结合纳米压印技术、反应离子刻蚀技术和电沉积技术，开发制备纳米仿生芯片的新方法，研制一系列结构尺寸精确可控的多功能纳米仿生芯片，可同时实现皮肤细胞定向行为的诱导、交流阻抗信号的采集和灵敏度的提升以及细胞图像的捕获。在纳米仿生芯片上构建交流阻抗监测与分析平台，实时、高灵敏地监测伤口愈合中的主要功能细胞—真皮成纤维细胞和表皮角质上皮细胞的定向行为，通过数据拟合和计算，首次建立交流阻抗响应与细胞定向行为相关性模型，定量分析细胞定向行为，并基于该模型实现皮肤细胞创伤修复的监控，为人皮肤创伤愈合的临床研究提供数据和技术支持。

皮肤是人体重要的保护屏障。一旦受到损伤，最理想的状况是尽快修复并且减少瘢痕的形成。在皮肤伤口愈合的过程中，细胞外基质起着非常重要的作用。近年来，研究者发现纳米尺度三维形貌可以模拟人体的细胞外基质，影响细胞的行为。然而，目前在各种三维结构上细胞行为的研究，大多采用依赖于终点检测的光学方法，不能提供动态信息。本项目通过纳米压印技术、电子束蒸镀技术和刻蚀技术在金基底上制备出了线宽为200 nm、周期为400 nm及深度为75 nm的纳米仿生芯片用于模拟体内的细胞外基质，并以纳米仿生芯片为工作电极构建了交流阻抗监测器件。将皮肤成纤维细胞(HFF)和表皮细胞(HaCaT)培养在纳米仿生芯片上，通过交流阻抗技术实时监测与分析了这两种细胞在粘附、迁移和繁殖过程中的定向行为。研究发现，纳米仿生芯片能够诱导HFF细胞产生良好的定向行为，且先发生细胞定向排列，再发生胞体的延长，而HaCaT细胞无定向行为的产生, 其粘附和铺展得到了延缓。HFF细胞在特征频率977 Hz下的交流阻抗信号与定向排列的细胞百分比之间存在着良好的线性关系。纳米仿生芯片能够加速HFF细胞和HaCaT细胞在伤口处的迁移，促进伤口愈合；相比之下，对两种细胞的繁殖过程起到了延缓作用。这两种细胞在各自特征频率（HaCaT细胞为1465 Hz）下的交流阻抗信号分别与迁移过程中的伤口愈合率以及繁殖过程中的细胞数目之间存在着良好的线性关系。总的来说，纳米仿生芯片能够诱导HFF细胞产生定向行为，提升HFF细胞和HaCaT细胞的迁移能力，而降低这两种细胞的繁殖能力，这对于皮肤伤口的快速愈合，同时减少瘢痕的产生是非常重要的。根据建立的交流阻抗响应与细胞定向行为之间的相关性，可以实现皮肤细胞创伤修复过程的监控，为人皮肤伤口愈合的临床研究提供技术和数据支持，以期推动再生医学、整形科学等领域的发展。