生物支架材料的表面化学特性对细胞生物学行为的影响

发布时间：2019-01-13 10:36

【摘要】：组织工程通过细胞与支架材料及可溶性因子的结合,旨在调控细胞生物学行为,重塑组织结构和功能,为组织/器官修复再生提供了有效策略。细胞在支架材料中的粘附、增殖、表达与目标组织相关的特异性功能等行为决定了最终组织工程产品的成功与否。在体内,细胞所处的微环境在调控细胞行为和组织维持/修复中发挥着重要作用,而微环境的主要组成之一就是细胞外基质。因此,构建组织工程支架材料及其表面化学特性,以模拟胞外基质特性并获得合适的细胞响应,成为组织工程研究的关键内容之一。本质上来讲,胞外基质的表面化学特性包涵两方面：其一,化学成分自身所决定的性质,如亲/疏水性、电荷特性和表面自由能等；其二,化学组份的浓度及时空分布。为了获得特定的生物材料表面化学特性,将天然的胞外基质组分或简单的化学基团引入材料表面是最为行之有效的途径和手段。本文选用聚己内酯(poly(ε-caprolactone), PCL)和聚甲基丙烯酸羟乙酯(poly(2-hydroxyethyl methacrylate), PHEMA)这两种在组织工程中有着广泛应用的合成聚合物作为基底材料,分别通过引入简单化学基团和共价结合Ⅰ型胶原,并辅以一系列体外细胞培养实验,以探讨材料的表面化学特性对细胞生物学行为的影响,为未来设计和制备特定的组织工程支架材料、调控细胞生物学行为并构建更具功能的工程化组织提供科学指导。其中,通过在PCL分子中引入简单化学基团,成功构建了具有不同表面化学性质的PCL衍生聚合物薄膜,考察了间充质干细胞在该系列表面的粘附、增殖和多向分化等行为,并对比了软骨细胞表型维持、传代软骨细胞再分化以及间充质干细胞的成软骨分化对表面化学性质的特异需求。对于生物惰性的PHEMA材料,本文则采用胶原修饰的方法获得了具有不同胶原密度的材料表面,并考察了间充质干细胞的粘附、增殖和多向分化行为与该化学成分密度的相关性。首先,本文采用开环共聚法合成了一系列接有化学侧基(氨基、甲基、羧基、羟基和羰基)的PCL衍生物(分别简称为PCL-NH2、PCL-CH3、PCL-COOH、PCL-OH和PCL-C=O),并在玻片表面旋涂形成薄膜。通过对薄膜表面润湿性、表面微观形貌和血清蛋白吸附的检测,发现亲水基团(包括-NH2、-COOH、-OH和-C=O)的修饰能够降低PCL基材的疏水性,而-CH3的修饰无此影响；含有化学侧基的聚合物在成膜过程中会形成岛状拓扑结构,并提高了薄膜表面的粗糙度；薄膜表面的血清蛋白吸附能力也与其亲/疏水性呈现一定的线性相关。然后,本文将人羊膜来源的间充质干细胞(hAMSCs)接种于该系列PCL薄膜表面,考察了这些具有不同化学性质的表面对细胞粘附、增殖和多向分化等生物学行为的影响。研究发现,与未经修饰的PCL相比,PCL-NH2、PCL-COOH、PCL-OH和PCL-C=O表面促进了hAMSCs的粘附,具体表现在细胞铺展面积、焦点黏着斑和胞外基质蛋白分泌的增加,而其中的PCL-NH2和PCL-COOH薄膜表面还促进了细胞的增殖。hAMSCs在薄膜材料表面的分化行为也与基团修饰引起的表面化学特性改变相关,PCL-NH2表面支持较好的成骨分化,PCL和PCL-CH3有利于成脂肪分化,而成软骨分化则在PCL-CH3和PCL-COOH薄膜表面更为显著。以上述接有化学侧基的PCL衍生聚合物薄膜为基础,本文进一步考察了兔骨髓来源的间充质干细胞(rBMSCs)、原代兔关节软骨细胞(第一代,P1, rACs)和传代兔关节软骨细胞(P3和P5 rACs)的体外成软骨能力。研究结果显示,接有亲水性基团的薄膜表面(PCL-NH2、PCL-COOH、PCL-OH和PCL-C=O)能够促进这些细胞的粘附和增殖；在P1 rACs的长期培养(21天)过程中,GAG/DNA值在PCL-COOH表面最高,而细胞在PCL和PCL-CH3表面出现了明显的去分化现象,不但GAG/DNA值较低,而且细胞形态也从圆形向成纤维细胞样转变；P3 rACs在成软骨诱导培养基中能够重获软骨表型,而rBMSCs和P5 rACs则在细胞粘附相对较弱的PCL和PCL-CH3表面才表现出较好的成软骨分化效果,但分化水平仍远低于再分化的P3 rACs。这些结果说明,间充质干细胞的分化趋向和细胞种类对材料的表面化学特性都具有特殊的需求,因此,根据特定的细胞来源和组织类型来设计和制备合适的材料及其表面化学特性,才能成功构建特定的工程化组织。最后,本文利用1,1羰二咪唑(CDI)作为中间交联剂和不同浓度的Ⅰ型胶原溶液在PHEMA材料表面构建出一系列具有不同胶原密度的表面,并考察了人骨髓来源的间充质干细胞(hBMSCs)对材料表面胶原密度的响应。对材料表面进行物化表征的结果表明,CDI处理降低了PHEMA表面的粗糙度和亲水性,经过胶原的修饰后,虽然粗糙度和表面形貌没有明显变化,但是材料表面的亲水性却随着表面胶原的增多而升高。细胞培养实验发现,PHEMA表面不具备细胞生长的条件,而CDI处理和胶原的修饰则显著促进了细胞的粘附,且随表面胶原的增多,细胞铺展面积和增殖均呈现上升趋势。高密度的胶原有利于hBMSCs勺成骨分化,而无胶原或低密度的胶原则促进了细胞向脂肪细胞和软骨细胞的分化。但是,软骨特异性胞外基质的累积还因细胞来源而异,无胶原或胶原少的表面有利于绵羊膝关节软骨细胞(oACs)累积更多的粘多糖,而软骨诱导培养后的hBMSCs则与此相反。综上所述,本文通过成功构建具有不同表面化学特征的PCL和PHEMA,利用包括间充质干细胞和软骨细胞在内的细胞,开展了对细胞的粘附、增殖、多向分化以及功能维持等细胞行为的研究,探究了细胞对基材表面化学特性的响应,发现基材表面化学性质和化学信号的浓度对细胞行为均有调节作用,并揭示了不同细胞种类对材料表面化学性质的响应具有特异性。
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【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.08

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