聚合物/液晶细胞模型的构建及其表面弹性诱导干细胞分化行为的研究

干细胞对其细胞外基质的固有性质非常敏感，基质弹性诱导干细胞分化的重要性已经成为一种新型的，敏感性非常高的细胞调节因素。通过设计具有适宜弹性模量的聚合物/液晶细胞模型，研究基质表面弹性对蛋白吸附及干细胞分化和分泌功能等细胞行为产生的作用，是组织工程用生物材料设计的一个新思路。本课题在前期研究工作基础上，通过在生物材料网络结构中引入有序的介晶相，构建具有液晶各向异性界面的软-固弹性细胞模型，即聚合物/液晶弹性模型，研究探索具有液晶态结构的基质表面弹性对蛋白吸附和诱导干细胞分化等细胞行为的影响，明晰干细胞是如何感应基质的弹性并转化成形态改变及种系特异化的信息，并确定基质中液晶态结构及基质表面弹性诱导干细胞分化的机制。在分子水平上探索通过调控材料表面弹性控制细胞行为的途径，为生物材料的仿生设计提供有价值的科学依据。

干细胞对其细胞外基质的固有性质非常敏感，基质弹性诱导干细胞分化的重要性已经成为一种新型的，敏感性非常高的细胞调节因素。尤其是，干细胞的命运或种系分化紧密地依赖于细胞外基质的弹性和表面微观结构，基质刚性将引导干细胞种系的分化，是调控细胞行为的一个重要因素。. 生物学研究表明，液晶态广泛存在于生物系统，基于液晶各向异性的粘弹性特征，本课题通过在生物材料网络结构中引入有序的介晶相，构建界面具有液晶各向异性结构，弹性模量可调的软物质细胞模型，探究表面呈现类似生物膜液晶态结构的基质面弹性对细胞行为的影响，并且确定基质中液晶态结构特征及基质表面弹性与细胞行为之间的相关性。主要研究内容包含：①聚合物/液晶弹性模型的构建。采用纤维素液晶(羟丙基纤维素丙酯(PPC)或羟丙基纤维素辛酯(OPC))单独或与生物材料复合构建聚合物/液晶弹性模型。②各种液晶及聚合物/液晶基底表面结构形态及弹性性能表征。③液晶态基底表面细胞行为研究。分别选用成纤维细胞和骨髓间充质干细胞，探索液晶态基底表面拓扑形貌结构及表面弹性对细胞附着、扩散、增值及分化等细胞行为的影响。. 结果表明，液晶弹性基底可通过液晶粘弹特性产生的力学刺激影响NIH/3T3s的一系细胞行为。NIH/3T3s高度敏感于液晶的粘弹性，基底弹性模量的微小变化就能引起强烈的细胞响应从而改变细胞的命运和性能。较高弹性模量的基底不能给细胞提供良好的微环境从而抑制细胞附着；适中弹性模量的液晶基底能促成良好的细胞黏附、铺展、极化、增殖、细胞骨架形成，及FAK, paxillin和ERK1/2的表达。OPC/PU复合基底的弹性和表面拓扑结构对rBMSCs成骨分化均产生影响，rBMSC诱导培养初期和中期， PU弹性起主导作用，OPC10-PU和OPC30-PU对rBMSC表现出较强的成骨诱导分化能力；细胞诱导培养后期，PU弹性和液晶相区粘弹特性对干细胞分化均有贡献，OPC30-PU和OPC50-PU上rBMSC呈现出型Collagen和骨桥蛋白基因的高表达；成骨分化的基因表达重点从早中期的型胶原主要表达转变为后期的骨桥蛋白主要表达。. 聚合物/液晶细胞模型的构建是组织工程材料设计的一个新策略，对理解和明晰通过力学响应调控的细胞行为及其相关机制具有重要的学术价值和科学意义。