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《Polymer》细胞感应界面纳米拓扑结构机理的研究
发布时间:2024-04-23

生物材料的表面特性对间充质干细胞的粘附和生物功能有着深远的影响,这对于成功植入和再生至关重要。骨组织的多层结构和骨细胞外基质特性为植入物的设计提供了有价值的仿生见解。目前的研究越来越关注纳米形貌在有效诱导骨形成和促进骨组织再生方面的潜力。先前的研究已经广泛地探讨了纳米级细胞外基质结构复杂性对细胞行为的意义,包括细胞粘附、迁移和干细胞分化。间充质干细胞通过纳米界面的机械途径感知和传递机械信号,从而诱导不同的基因表达和功能。纳米图案的形成不仅改变了表面结构,同时改变了它们的比表面积。然而,关于比表面积和纳米结构哪个因素对细胞行为的影响更大的研究却很少。为了加深我们对细胞与纳米图案表面之间相互作用的理解,我们开始探索纳米结构和比表面积对细胞粘附和功能的影响。

近期,我们团队和徐家壮教授团队联合Polymer上发表题为《Insights into adhesion and osteogenesis of bone marrow stromal cells promoted by surface nanopatterns》的研究论文为了加深对细胞与纳米图案表面之间相互作用的理解,从两个物理角度解耦纳米拓扑表面:纳米结构和表面积。通过表面附生结晶在聚己内酯PCL)平面基底上构建纳米拓扑图案形成400nm,深150nm的纳米沟槽。间充质干细胞在具有纳米图案的基底上形成稳定、有序肌动蛋白纤维,形成了复杂的肌球蛋白网络。为了解耦表面结构和比表面积的影响,我们调节了表面吸附的牛血清白蛋白与胶原蛋白的比例,从而降低纳米图案的比表面积。当纳米图案的表面积减少时,细胞铺展和肌球蛋白激活受到限制。这些发现表明,纳米图案表面的比表面积是细胞机械感应的主要调节器。

 

1. 利用表面附生结晶技术制备PCL表面纳米图案及表征。

 

 

2. 骨髓间充质干细胞在平面基底和纳米图案基底上表现出不同的粘附行为。

 

3. 利用BSA-FITC测定纳米图案基底和平面基底的比表面积之比约为3.2。

 

4. 在高比表面积的纳米图案基底表面间充质干细胞形成更强的应力纤维。

 

5. 高比表面积的纳米图案促进骨髓间充质干细胞成骨分化。

 

6. 细胞在“flat”、“nano”和“nano-A”表面的粘附和极化示意图

 

我们强调了纳米图案表面的高比表面积是细胞机械感应的主要调节器。此外,我们还观察到细胞主要通过应力纤维在纳米图案基质上表现出更强的铺展和粘附。纳米图案有利于激活细胞肌球蛋白机械力途径。纳米图案的高比表面积不仅增加了粘附蛋白的聚集,也增加了protein molecule clutches的数量,从而促进了机械力的传递。仍需要指出的是,我们该研究中没有考虑细胞黏附位点的间距感应,需要在后续研究中完善。总之,这项研究为纳米图案形貌如何显著影响细胞行为提供了更全面理解。

 

文章的第一作者是已毕业本科生高亚婷(目前华南理工边黎明教授课题组硕士就读)和已毕业硕士郑自立(目前浙江大学-西湖大学博士就读),通讯作者为徐家壮教授和魏强研究员。

 

论文详情请点击:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0032386124004270

 

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大三导论,细胞力学偶遇。

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那年秋日,科研旅途启航。

 

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桃李不言,下自成蹊

 

——— 高亚婷