自组装单分子膜构建表面化学模型及其干细胞和蛋白的生物应答研究

发布时间：2020-08-20 10:39

【摘要】：生物材料的表面性质直接介导细胞与组织的生物应答特性,是决定材料后续植入成败的核心要素之一。由于材料表面性质特征的多样性及不同材料物化性能的差异性,传统材料难以直接分析表面性质单一因素的生物应答规律,因此所得结论并不具有普适性。本课题旨在利用自组装单分子膜(SAMs)技术构建化学官能团可设计的明确模型表面,在分子水平上研究表面化学官能团及其衍生的电荷性和亲疏水性对干细胞行为和蛋白吸附的影响规律,为设计具有生物适配的新型医用生物材料表面提供可靠的实验依据。(1)不同化学官能团表面的构建及其生物应答特性利用SAMs技术构建不同种类的化学官能团表面(-OEG、-CH3、-PO3H2、-OH、-NH2和-COOH),比较这些官能团对小鼠骨髓间充质干细胞(mMSCs)黏附、增殖、成骨分化行为和对牛血清白蛋白(BSA)和骨桥蛋白(OPN)吸附行为的影响。结果表明:亲水-OH相对疏水-CH3表面更利于mMSCs的黏附、增殖,且易于BSA和OPN的蛋白构象调整,但不利于蛋白的吸附;高等电点-NH2相对低等电点-PO3H2和-COOH表面更利于细胞黏附和蛋白吸附,但在细胞增殖和蛋白构象调整上没有显著性差异;“抗黏附”-OEG表面对蛋白吸附有一定阻抗作用,同时也不利于细胞的黏附和增殖;大体上,-PO3H2、-OH、-NH2和-COOH相对-OEG和-CH3表面更有利于MSCs的黏附、增殖以及成骨分化,进一步说明细胞的行为差异不仅与官能团种类有关,也与表面不同的电荷性和亲疏水性密切相关。(2)复合官能团构建不同电荷性表面及其生物应答特性分别采用-OEG/-NH2和-NH2/-COOH复合官能团两种方式构建不同电荷性的SAMs模型表面,考察表面电荷对不同种属(成人和小鼠)骨髓间充质干细胞的黏附、增殖和成骨分化以及对BSA和OPN蛋白吸附行为的影响。研究表明:-OEG/-NH2复合表面可以获得电荷密度不断变化而蛋白吸附量保持稳定的特点;-OEG在抗蛋白吸附和抗细胞黏附的复合密度不同。-NH2/-COOH复合SAMs表面的等电点随着-NH2含量的增大而逐渐提高,OPN吸附量则呈单调递增趋势,但MSCs的黏附形态不受影响。这表明细胞在材料表面的黏附并非只有简单的静电引力,而是微环境中多种影响因素(如溶液中抗衡离子调节)综合作用的结果。在干细胞分化方面,高密度-NH2表面更利于hMSCs向成骨分化,而适当-NH2密度利于mMSCs的成骨行为,证实了表面电荷对MSCs成骨分化的影响规律因细胞种属而异。(3)复合官能团构建不同亲疏水性表面及其生物应答特性采用-OH/-CH3复合官能团构建不同亲疏水性的SAMs模型表面,研究表面亲疏水性对hMSCs和mMSCs行为以及对BSA和OPN吸附的影响,并且进一步探讨潜在的分子机制。总体上,适宜亲水表面利于MSCs黏附、增殖和成骨分化:接触角在40-70°和70-90°表面分别有利于hMSCs和mMSCs黏附;接触角在70°左右表面均利于两种细胞的增殖;在成骨环境中,接触角在40-90°和70°左右表面分别利于hMSCs和mMSCs的成骨分化。在蛋白吸附方面,疏水性强的表面通过疏水作用吸附更多的疏水性大分子BSA,但吸附量与表面疏水性不成线性关系,可能在吸附过程中与蛋白的吸附取向和构象变化有关;OPN的吸附量在适宜亲水表面达到最大,进一步表明吸附取向和构象在吸附过程中对最终吸附量的影响。为了阐明表面亲疏水性与细胞响应适配的分子机制,我们对mMSCs在适度亲水(-OH/-CH3,7/3)和疏水表面(-CH3)上整合素的基因表达、FAK和MAPK家族相关蛋白的表达及磷酸化水平进行了评价。结果发现适宜亲水表面可以上调αv和β1等整合素的基因表达、促进FAK的蛋白表达及磷酸化水平,并进一步激活MAPK信号通路。结合基因芯片技术对差异表达基因分析,证实亲疏水性可能通过激活p38MAPK信号通路影响mMSCs的黏附行为,进而对成骨分化产生影响。总体研究结果表明,通过SAMs技术可构建表面化学性质可控的模型表面,表面化学官能团及其电荷性和亲疏水性可以在一定程度上调控MSCs细胞的黏附、增殖和成骨分化等行为,以及影响不同蛋白的吸附行为,初步揭示了材料表面-细胞行为和材料表面-蛋白吸附之间的关系,为设计具有生物适配的新型医用骨修复材料表面提供了理论依据。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08

【共引文献】