电活性有序微纳界面诱导皮肤组织修复的机理研究

Endogenous electric signal is fundamentally important for development, regeneration, and wound healing. This project adopts the recently established bio-manufacturing and process control methods to control the directed movement of Gluconacetobacter xylinum through molecular template and microfluidics. In addition, by constructing engineered phototaxic Gluconacetobacter xylinum, assembly and arrangement of cellulose fibers is light controlled to achieve a specific three-dimensional micro-pattern, which will provide highly sophisticated multi-level tissue engineering scaffolds to induce directed cell adhesion and aggregation, for regenerative medicine purposes Further, the micro-patterned materials will be locally modified with conductive materials to simulate the endogenous electrical signaling to induce and modulate the distribution, migration, proliferation, and differentiation of fibroblasts or neurons. t. This project aims to solve the key scientific issue concerning how to achieve directed induction of skin repair and regeneration through modulation of endogenous signaling by simulating the endogenous electric signal on a patterned micro-/nano-surface and also to elucidate the underlying mechanisms of the additive effect of micro-/nano-surface and biological electric signal at molecular, cellular, and tissue level. This will provide a solid scientific basis for directed repair and regeneration of skin tissues.

生物体产生的内源信号在发育、再生以及自我修复过程起着举足轻重的作用。本项目采用已建立的生物制造过程控制的方法，在生物合成过程中经分子模板和微流控调控葡糖醋杆菌的定向运动，此外通过构建趋光型葡糖木醋杆菌工程菌株，控制纤维素纤维的组装与排列，光控合成具有特定规则图案的三维的纤维素材料，为组织细胞提供多层次高度精细结构的组织工程支架，诱导其与支架的定向黏附和聚集。进一步通过电活性修饰，模拟生物体的内源生物电信号，引导和调控成纤维细胞、神经元细胞、内皮细胞的分布、迁移、增殖、分化等。本项目针对“调控内源信号实现无损定向诱导皮肤组织的修复与再生”的关键科学问题。采用在有序微纳界面上模拟内源电信号刺激的方法，构建基于有序微纳界面与生物电信号的定向诱导组织修复与再生的模型，在分子、细胞、组织等水平阐明微纳界面诱导和内源生物电信号的协同作用机制，为实现皮肤组织的定向修复与再生提供科学依据。

本项目是电活性有序微纳界面诱导皮肤组织修复的机理研究。在智能菌株构建方面，我们在铜绿假单胞菌中，以环鸟苷二磷酸为对象，建立了趋光性工程菌株的构建方法和控制方法。由于工程菌种具有很强的可改造性，光响应系统的建立为研究新型抗菌表面、新型活细菌生物材料及其他应用领域提供了新的方法和思路。此外我们发现葡糖木醋杆菌具有敏感的趋电性，在电场作用下，可以控制葡糖木醋杆菌的运动并有序分泌细菌纤维素。另一方面，生物电信号是一种生物体产生的内源信号，电信号在发育、再生以及自我修复过程起着举足轻重的作用。。本项目采用已建立的生物制造过程控制的方法，在生物合成过程中经分子模板和微流控调控葡糖醋杆菌的定向运动，通过此种方法构建有序纳米纤维生物材料用于细胞的定向的分布、迁移、增殖、分化等，用于皮肤组织、神经组织、人工血管、人工椎间盘等的修复与再生。进一步的，是将生物材料的有序微界面结合生物电信号，构建基于有序微纳界面与生物电信号的定向诱导组织修复与再生的模型，期望在分子、细胞、组织等水平阐明微纳界面诱导和内源生物电信号的协同作用机制，为实现皮肤组织的定向修复与再生提供科学依据。本项目成功建立了在生物材料有序微界面上实现电刺激研究的平台。利用此平台，可研究各种电活性材料耦合电刺激下的对细胞粘附、迁移、增殖、分化等的影响。并建立了相关的电刺激动物实验模型，目前动物实验还在进行当中。现阶段是利用有序微界面结合生物电信号，为实现皮肤组织的定向修复与再生提供了科学依据，后续工作将致力于项目成果的转化，完善动物评价实验，设计相关的功能性创伤修复材料并用于临床实验研究。