生物支架材料中材料的细胞粘附性对细胞空间分布、积聚状态以及细胞表型的影响

Sponges have been used widely in regenerative medicine as potential tissue engineering constructs. Except for serving as cell delivery vehicles and providing structural support, microenvironment of sponges may have a significant effect on the phenotypes of cells and potential regeneration properties. As one of the key factors in controlling the microenvironment, cell adhesion has great effects on cell morphology, aggregation, and distribution, as well as subsequent regeneration and tissue maturation. A variety of studies on cell adhesion have been done previously using 2D/3D models , however, research on the use of cell adhesion motifs in sponges is limited due to the interwoven complexity of chemistry, topography, rigidity and internal structures. In this current study, adjustable cell adhesion is achieved by integrating gradient cell adhesion motif (RGD sequence) into non-adhesive polyethylene glycol (PEG) sponges. Cell distribution, aggregation and phenotypes will be quantitatively investigated with an aim to control the cell adhesion and the phenotypes of cells. Implementation of this current study could shed a light on the design principles of functional biomaterials.

多孔生物材料是再生医学中最为广泛使用的材料类型。除了作为细胞载体和提供力学支撑，生物材料的微环境还显著影响细胞的表型和组织再生。生物材料的细胞粘附性是微环境的重要因素，显著影响了细胞的粘附、积聚、表型和空间分布以及潜在的组织形成和成熟。既往材料的细胞粘附性能研究大多限于二维平面研究；三维生物材料的研究受限于材料的化学，表面形貌，硬度以及多孔材料内部结构的多重影响，未能深入。本研究拟在细胞非粘附的PEG多孔支架中定量加载细胞粘附性多肽（RGD）序列，通过研究细胞的分布和积聚状态，进而揭示生物材料细胞粘附性对细胞表型的影响。该研究的成功实施可以促进生物材料在再生医学中的应用，并为生物材料的设计提供理论指导。

采用冷冻干燥/粒子滤粒法制备的高、低浓度RGD（2mM和0.4mM）的聚乙二醇PEG水凝胶（PEG-G2000和PEG-G400）孔洞均匀，生物相容性好。高浓度RGD聚乙二醇水凝胶不仅显著促进细胞增殖和分化，还增加糖胺聚糖分泌，但也会令软骨细胞面临去分化和肥大化现象。 在上述聚己二醇大孔水凝胶的基础上，通过互穿网络（IPN）方式制备聚己二醇和明胶互穿水凝胶，显著提升了水凝胶力学强度，促进了细胞粘附和软骨相关基因的表达。..通过将转化生长因子（TGF-beta1）亲和性多肽接枝到多孔壳聚糖支架材料上来提升材料募集生长因子的能力，提升修复效果。选用1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)法接枝多肽并优化接枝比例后，探究了亲和性多肽接枝后的多孔支架对细胞表型的影响，以及裸鼠皮下成软骨能力、兔子滑车软骨缺损中软骨缺损修复能力。结果显示接枝TGF-β1亲和性多肽的壳聚糖支架具有良好的孔隙率和连通性。孔径随着亲和性多肽接枝量的增加而增大。从TGF-β1的释放曲线看，与未接枝的壳聚糖支架相比，接枝亲和性多肽的壳聚糖支架显示了更加平缓的释放曲线，并且较好的避免了早期的爆释。较之没有接枝亲和性多肽的壳聚糖支架，TGF-β1接枝的壳聚糖支架显著促进了间充质干细胞软骨分化和体内软骨再生。本研究论证了生长因子亲和性多肽的接枝可以在没有外源生长因子添加的条件下体内、局部募集活性成分，促进软骨再生，且没有副作用。