研究背景

微环境的力学性能是干细胞分化的关键物理因素，一般而言，具有类骨质（约 30-40 kPa）或更高模量的水凝胶能诱导间充质干细胞（MSC）的成骨分化。非常软的水凝胶不能有效激活细胞机械信号的转导，因此，难以实现细胞的成骨分化。然而，近期研究表明增加材料表面结构有序的配体间距，会促进软水凝胶上粘着斑蛋白长度的增加。由于干细胞分化受机械力敏感的粘着斑蛋白的调控，因此探索具有配体间距可控的软水凝胶上细胞机械转导和分化行为是有趣且合理的。因此，我们在水凝胶的表面引入间距可控的配体，探究特异性配体的分布对干细胞行为的影响。

研究方法

本文选用生物惰性的聚丙烯酰胺水凝胶作为基材抑制细胞的非特异性粘附，将金纳米阵列以共价键的方式结合到水凝胶的表面；同时在金纳米阵列上修饰RGD多肽，以调控细胞整联蛋白（integrin）粘附位点。基于该体系，来探究基材的刚柔性和其表面特异性配体的分布对干细胞分化的影响。通过改变纳米阵列的间距，调节细胞粘附过程中ECM-整联蛋白-粘着斑蛋白-肌动球蛋白之间的动态分子键（分子链）的负载力，以促进软（约3 kPa）水凝胶上细胞的机械信号转导。结果表明，在软水凝胶上，增加配体的间距导致分子链的作用力增加，进而踝蛋白（talin）激活，细胞的机械信号转导通路激活，促进肌动球蛋白骨架的组装，细胞内部作用力增大。因此，软水凝胶上，大间距的配体促进MSC的成骨分化，并与30 kPa基材上细胞的成骨分化水平相近。该研究工作成功的实现了软水凝胶上细胞的成骨分化，为设计生物材料和组织支架开辟了新的方向。

相关论文发表在《Biomaterials》（影响因子：10.317），我室特聘研究员魏强、副教授赵伟锋为本文通讯作者，博士研究生张曼为第一作者。

纳米图案化水凝胶的制备过程

细胞在带有RGD纳米粒子的聚丙烯酰胺水凝胶上的粘附

细胞核力受配体间距和底物刚性调节

配体的间距驱使细胞在水凝胶上成骨分化

文献链接

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120543