辐射交联胶原凝胶对成纤维细胞的生物学效应

胶原凝胶在体液环境下严重收缩，对组织再生造成了不良影响。针对该问题，本项目采用辐射交联法制备胶原凝胶，研究其在模拟体液中发生体积相转变的机制，以及相转变过程对成纤维细胞形态和活性的影响。首先通过改变辐射交联条件，测试凝胶与组织工程用途相关的理化性能，得到性能优良的胶原凝胶，讨论辐射交联对胶原凝胶三螺旋结构、结晶结构的影响；其次利用溶胀度测试和FTIR、荧光光谱、NMR等研究方法，从分子水平阐释凝胶在模拟体液中的体积相转变行为及机制；最后，在凝胶上培养成纤维细胞，用MTT、流式细胞术、Western Blot等细胞生物学研究方法和Bio-AFM、LSCM等先进显微成像技术，分析材料相转变过程中，成纤维细胞形态与活性的变化。综合以上结果，进行适合细胞生长的材料和微环境设计，为胶原在模拟体液环境中材料-溶液-细胞三相界面相互作用研究提供新视角。

胶原是生物组织中最重要的蛋白质之一，其水凝胶因组成和结构与细胞外基质相似，成为一种十分理想的组织工程材料。但未经改性的胶原力学性能差、降解快，需要通过交联进行改善。本项目采用辐射交联法，成功制备了胶原水凝胶，并研究了辐射工艺对胶原结构的影响、胶原水凝胶的体积相转变及机制、胶原水凝胶的体积相转变对成纤维细胞生物学性能的影响。（1）γ-射线照射下，胶原水溶液发生交联形成了水凝胶，并且交联密度随着吸收剂量的增加而增加，胶原水凝胶表现出增强的机械性能。同时，胶原发生了辐射降解，凝胶收缩挤出其中的水。γ-射线辐射制备的胶原水凝胶保持胶原的骨架结构，而且酪氨酸也部分地参与了交联。辐射后的胶原水凝胶具有较高的变性温度，可促进成纤维细胞增殖，在体内的降解速率取决于吸收剂量。结果表明，辐射交联法制备的胶原水凝胶保持三螺旋结构，热稳定性和机械性能提高，具有优良的生物相容性，预期将有利于其作为生物材料应用。（2）胶原水凝胶的去溶胀行为取决于盐浓度、温度、pH值和水凝胶的制备过程。胶原水凝胶在盐溶液中的去溶胀使得胶原构象发生了微小的变化，更致密的网络导致酪氨酸衍生的荧光猝灭更显著。随着盐浓度的增加，水合的水和胶原多肽链之间的氢键解离，疏水性侧链的活性增加，导致更高程度的收缩。此外，盐溶液削弱了胶原水凝胶的静电相互作用、侧链相互作用和氢键，并且降低了胶原水凝胶的热稳定性。成纤维细胞没有显著加重胶原水凝胶的收缩。研究阐明了辐射交联的胶原水凝胶在模拟生理环境中的去溶胀机制，并为控制胶原水凝胶在生物医学应用中的刺激性响应提供策略。.（3）胶原水凝胶在模拟体液中表现出收缩趋势。随着胶原水凝胶的收缩，水凝胶的孔径减小，压缩模量增加。胶原水凝胶从周围向中心收缩，延缓了成纤维细胞在动态基质上的初始粘附，干扰了细胞的铺展。因此，收缩的胶原水凝胶进一步影响了 L929 细胞的增殖也加速了细胞凋亡。收缩的胶原水凝胶可以促进细胞周期从 G0/G1 期进入S期，DNA合成和细胞增殖受到影响。而且收缩的胶原水凝胶影响了L929细胞的肌动蛋白应力纤维，进而影响了其铺展。本研究表明胶原水凝胶在生理环境中的收缩会对成纤维细胞的生物学性能产生影响，作为组织工程支架材料应用时应考虑抑制其收缩的策略。辐射交联制备的胶原水凝胶交联密度较高，因而在模拟生理环境中的收缩程度大幅度降低，有望成为制备胶原基组织工程材料的理想手段。