材料表面化学与力学刺激对成骨细胞的协同影响研究

细胞必须在合适的化学刺激和力学刺激的共同作用下才可能形成组织工程化功能组织。因此，研究材料化学结构与力学因素共同刺激作用对细胞行为的协同影响具有重要意义。而目前尚缺乏相关研究。本项目旨在设计一套可对细胞同时施加化学刺激和力学刺激的研究模型，并利用该模型探索其共同刺激对细胞生命行为的协同影响机制；本项目的基本方法是将成骨细胞培养在基于自组装单分子层技术加工的-COOH、-NH2、-OH和-CH3模型聚苯乙烯表面上(化学刺激)，同时采用基底"四点弯曲"装置对细胞施加不同强度的拉伸力（力学刺激），考查成骨细胞在化学及力学刺激共同作用下的胞外基质分泌、粘着斑、细胞骨架形态和细胞行为，最终了解"表面化学结构-机械拉伸力"与蛋白表达和细胞行为之间的关系。通过本项目的深入研究，可更全面地理解活体组织对生理微环境的响应机制, 并为设计和制造具有功能组织的支架材料和生化反应器提供一条崭新的思路。

支架和成骨细胞是骨组织工程的两个重要组成部分。成骨细胞作为一种力敏感细胞，除了需要合适的支架结构外，还必需受到合适的力学刺激才可能形成功能性骨组织。因此，研究支架的结构尤其是化学结构和力学加载共同刺激作用对成骨细胞行为的协同影响具有重要意义。本课题结合自组装单分子层技术（Self-assembled monolayers, SAMs）和平行板流动腔技术（Parallel plate flow-chamber），成功搭建了材料表面化学-流体剪切力（Fluid flow shear stress, FSS）共刺激平台，并考察了化学刺激（-NH2、-OH和-CH3）和力学刺激对成骨细胞的协同影响。结果表明，成骨细胞对FSS（12 dyn/cm2）的响应具有强烈的材料表面化学依赖性，ATP、NO、PEG2释放量和细胞增殖都表现为-NH2 > Glass > -CH3 ≈ -OH趋势，NH2表面表现为放大成骨细胞对FSS的响应，而-CH3、-OH表面表现为减小响应。通过细胞骨架和黏着斑染色实验，我们发现F-actin和黏着斑的形成也依赖于材料表面化学刺激，同样表现出上述规律。因此我们提出假设：材料表面化学通过控制F-actin组装和黏着斑形成，进而调控细胞对FSS的响应，实现材料表面化学和FSS对成骨细胞的协同影响。为进一步验证此假设，对F-actin和黏着斑进行了抑制实验。结果发现，F-actin或/和黏着斑被打断或抑制后，成骨细胞对FSS的响应明显下降且不再具有表面化学依赖性。此外，我们发现，低剪切力（5 dyn/cm2）和化学共刺激对成骨细胞早期行为影响较大，如细胞铺展、增殖和纤连蛋白（fibronectin, FN）表达。而对后期行为如Ι型胶原蛋白（collagen Ι, COL Ι）表达影响相对较小。而且在低剪切力下，成骨细胞对FSS的敏感性表现为-OH>-CH3>NH2，明显不同于正常剪切力（12 dyn/cm2）的材料表面化学依赖性，这也与成骨细胞在不同材料表面化学上的F-actin和黏着斑形成状态有关。上述研究结果提示，支架化学结构和外载FSS对ROBs的影响是协同的；外载FSS的大小须与支架化学结构相匹配，才可能实现功能性骨组织的形成。这一创新性研究成果对于支架化学结构和FSS大小的设计和选择具有重要指导意义，对于骨组织工程的发展具有重要的推动作用。