仿生梯度材料界面的构建及其对诱导间充质干细胞分化的高通量筛选研究

In order to solve the inefficiency issue in the research of biomaterial interface and stem cell interactions, this project intends to break through the limitations of existing surface/interface material research. The design of the gradient material interface is the main line, and an orthogonal double gradient interface is constructed on the general polymer material as the matrix. The double-gradient biomimetic material interface aims to explore the accuracy and efficiency of high-throughput screening of stem cell differentiation. To this end, given the natural extracellular matrix structure in the bone, an orthogonal double gradient will be prepared in which wrinkle topography and stiffness vary independently and continuously in perpendicular directions. The preparation-structure-property relationships in biomaterials will be elaborated. Then, using the automated high-content cell imaging system and high-throughput analysis software, the synergistic effects of topographical size and stiffness on mesenchymal stem cell behavior and their osteogenic differentiation on the orthogonal double-gradient interface will be explored at the cellular and molecular levels. The cell results on the single gradient interfaces as the control will be used to further verify the accuracy of the orthogonal double-gradient interface and highlight its efficiency. Importantly, we will also identify the optimal material interface parameters, explore the underlying mechanism how topography and stiffness regulate the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. The significance of this research project is to promote the design and preparation of high-performance biomaterials, and to provide a new strategy for accelerating the future clinical application of tissue-engineered bone.

本项目针对生物材料界面与干细胞相互作用研究中的低效性问题，拟突破现有材料表界面研究的局限性，以梯度材料界面为设计主线，以通用高分子材料为基体，构建正交双梯度仿生材料界面，探究其对高通量筛选干细胞定向分化的准确性和高效性。为此，项目首先将从仿生骨细胞外基质结构出发，设计制备正交双梯度（褶皱拓扑和刚度）界面，阐明材料界面的制备-结构-性能之间的内在关系。然后，利用全自动高内涵细胞成像系统和高通量分析软件，在细胞和分子水平上探究正交双梯度界面上拓扑和刚度参数对间充质干细胞成骨分化的协同影响；通过与对照组单梯度界面上细胞结果作对比，进一步验证正交双梯度界面的准确性和突显其高效性，确认最优的材料界面参数，并探讨仿生拓扑和刚度性能调控间充质干细胞成骨分化的作用机制。本项目的研究意义在于加快高性能生物材料的设计和制备，为加速组织工程化骨今后的临床应用转化提供新方法。

骨创伤或骨肿瘤/感染术后造成的组织缺损是临床上常见疾病，会致使患者缺少支撑、运动障碍、截肢甚至危及生命。由于骨组织自我再生能力有限，用常规的治疗方法如生物移植（自身、异体或异种移植）因供体有限、免疫排斥、疾病传播、成本高昂而受到局限，骨修复与再生一直是临床治疗的一大难题。近年来组织工程与再生医学技术磅礴兴起，为解决这一问题提供了新策略。种子细胞、生物材料支架和生物活性因子是其三要素，尤其医用材料界面的生物理化性能（拓扑结构、刚度、润湿性和电荷）是整个策略赖以实现的关键。然而，目前针对生物材料界面性能与干细胞相互作用的研究存在低效性问题。 本研究突破现有表面/界面材料研究的局限性，以材料梯度仿生界面为设计主线，以通用高分子材料聚二甲基硅氧烷为基体，构建出了材料拓扑结构与刚度正交排列的双梯度仿生界面以及一系列其他梯度仿生材料界面（拓扑/刚度线性梯度界面以及拓扑&刚度线性梯度界面）。通过优化材料制备过程中的关键参数（调节PDMS制备过程中预聚物与交联剂的比例、等离子体发生器处理样品的强度和时间、单向拉伸的程度以及遮盖的角度大小），探索了材料界面的制备-结构-性能之间的内在关系，获得了尽量大的刚度（5~90 MPa）和拓扑结构（200 nm~13 µm）范围，以便更好地发挥其高通量筛选作用。进而，利用全自动高内涵细胞成像系统（TissueFAXS®）和高通量分析软件（TissueFAXS® Viewer），共同构成生物材料基高通量筛选梯度界面平台系统（BiomACS），研究了骨髓间充质干细胞的粘附性能（细胞密度、细胞铺展、细胞核面积和粘着斑蛋白）、成骨分化相关蛋白检测和相互作用机制，确认最优的材料界面参数。本研究的研究意义在于加快高性能生物材料的设计和制备，为加速组织工程化骨今后的临床应用转化提供新方法。