發(fā)布時間：2019-01-13 10:36

【摘要】：組織工程通過細胞與支架材料及可溶性因子的結合,旨在調(diào)控細胞生物學行為,重塑組織結構和功能,為組織/器官修復再生提供了有效策略。細胞在支架材料中的粘附、增殖、表達與目標組織相關的特異性功能等行為決定了最終組織工程產(chǎn)品的成功與否。在體內(nèi),細胞所處的微環(huán)境在調(diào)控細胞行為和組織維持/修復中發(fā)揮著重要作用,而微環(huán)境的主要組成之一就是細胞外基質(zhì)。因此,構建組織工程支架材料及其表面化學特性,以模擬胞外基質(zhì)特性并獲得合適的細胞響應,成為組織工程研究的關鍵內(nèi)容之一。本質(zhì)上來講,胞外基質(zhì)的表面化學特性包涵兩方面：其一,化學成分自身所決定的性質(zhì),如親/疏水性、電荷特性和表面自由能等；其二,化學組份的濃度及時空分布。為了獲得特定的生物材料表面化學特性,將天然的胞外基質(zhì)組分或簡單的化學基團引入材料表面是最為行之有效的途徑和手段。本文選用聚己內(nèi)酯(poly(ε-caprolactone), PCL)和聚甲基丙烯酸羥乙酯(poly(2-hydroxyethyl methacrylate), PHEMA)這兩種在組織工程中有著廣泛應用的合成聚合物作為基底材料,分別通過引入簡單化學基團和共價結合Ⅰ型膠原,并輔以一系列體外細胞培養(yǎng)實驗,以探討材料的表面化學特性對細胞生物學行為的影響,為未來設計和制備特定的組織工程支架材料、調(diào)控細胞生物學行為并構建更具功能的工程化組織提供科學指導。其中,通過在PCL分子中引入簡單化學基團,成功構建了具有不同表面化學性質(zhì)的PCL衍生聚合物薄膜,考察了間充質(zhì)干細胞在該系列表面的粘附、增殖和多向分化等行為,并對比了軟骨細胞表型維持、傳代軟骨細胞再分化以及間充質(zhì)干細胞的成軟骨分化對表面化學性質(zhì)的特異需求。對于生物惰性的PHEMA材料,本文則采用膠原修飾的方法獲得了具有不同膠原密度的材料表面,并考察了間充質(zhì)干細胞的粘附、增殖和多向分化行為與該化學成分密度的相關性。首先,本文采用開環(huán)共聚法合成了一系列接有化學側基(氨基、甲基、羧基、羥基和羰基)的PCL衍生物(分別簡稱為PCL-NH2、PCL-CH3、PCL-COOH、PCL-OH和PCL-C=O),并在玻片表面旋涂形成薄膜。通過對薄膜表面潤濕性、表面微觀形貌和血清蛋白吸附的檢測,發(fā)現(xiàn)親水基團(包括-NH2、-COOH、-OH和-C=O)的修飾能夠降低PCL基材的疏水性,而-CH3的修飾無此影響；含有化學側基的聚合物在成膜過程中會形成島狀拓撲結構,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與其親/疏水性呈現(xiàn)一定的線性相關。然后,本文將人羊膜來源的間充質(zhì)干細胞(hAMSCs)接種于該系列PCL薄膜表面,考察了這些具有不同化學性質(zhì)的表面對細胞粘附、增殖和多向分化等生物學行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),與未經(jīng)修飾的PCL相比,PCL-NH2、PCL-COOH、PCL-OH和PCL-C=O表面促進了hAMSCs的粘附,具體表現(xiàn)在細胞鋪展面積、焦點黏著斑和胞外基質(zhì)蛋白分泌的增加,而其中的PCL-NH2和PCL-COOH薄膜表面還促進了細胞的增殖。hAMSCs在薄膜材料表面的分化行為也與基團修飾引起的表面化學特性改變相關,PCL-NH2表面支持較好的成骨分化,PCL和PCL-CH3有利于成脂肪分化,而成軟骨分化則在PCL-CH3和PCL-COOH薄膜表面更為顯著。以上述接有化學側基的PCL衍生聚合物薄膜為基礎,本文進一步考察了兔骨髓來源的間充質(zhì)干細胞(rBMSCs)、原代兔關節(jié)軟骨細胞(第一代,P1, rACs)和傳代兔關節(jié)軟骨細胞(P3和P5 rACs)的體外成軟骨能力。研究結果顯示,接有親水性基團的薄膜表面(PCL-NH2、PCL-COOH、PCL-OH和PCL-C=O)能夠促進這些細胞的粘附和增殖；在P1 rACs的長期培養(yǎng)(21天)過程中,GAG/DNA值在PCL-COOH表面最高,而細胞在PCL和PCL-CH3表面出現(xiàn)了明顯的去分化現(xiàn)象,不但GAG/DNA值較低,而且細胞形態(tài)也從圓形向成纖維細胞樣轉變；P3 rACs在成軟骨誘導培養(yǎng)基中能夠重獲軟骨表型,而rBMSCs和P5 rACs則在細胞粘附相對較弱的PCL和PCL-CH3表面才表現(xiàn)出較好的成軟骨分化效果,但分化水平仍遠低于再分化的P3 rACs。這些結果說明,間充質(zhì)干細胞的分化趨向和細胞種類對材料的表面化學特性都具有特殊的需求,因此,根據(jù)特定的細胞來源和組織類型來設計和制備合適的材料及其表面化學特性,才能成功構建特定的工程化組織。最后,本文利用1,1羰二咪唑(CDI)作為中間交聯(lián)劑和不同濃度的Ⅰ型膠原溶液在PHEMA材料表面構建出一系列具有不同膠原密度的表面,并考察了人骨髓來源的間充質(zhì)干細胞(hBMSCs)對材料表面膠原密度的響應。對材料表面進行物化表征的結果表明,CDI處理降低了PHEMA表面的粗糙度和親水性,經(jīng)過膠原的修飾后,雖然粗糙度和表面形貌沒有明顯變化,但是材料表面的親水性卻隨著表面膠原的增多而升高。細胞培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn),PHEMA表面不具備細胞生長的條件,而CDI處理和膠原的修飾則顯著促進了細胞的粘附,且隨表面膠原的增多,細胞鋪展面積和增殖均呈現(xiàn)上升趨勢。高密度的膠原有利于hBMSCs勺成骨分化,而無膠原或低密度的膠原則促進了細胞向脂肪細胞和軟骨細胞的分化。但是,軟骨特異性胞外基質(zhì)的累積還因細胞來源而異,無膠原或膠原少的表面有利于綿羊膝關節(jié)軟骨細胞(oACs)累積更多的粘多糖,而軟骨誘導培養(yǎng)后的hBMSCs則與此相反。綜上所述,本文通過成功構建具有不同表面化學特征的PCL和PHEMA,利用包括間充質(zhì)干細胞和軟骨細胞在內(nèi)的細胞,開展了對細胞的粘附、增殖、多向分化以及功能維持等細胞行為的研究,探究了細胞對基材表面化學特性的響應,發(fā)現(xiàn)基材表面化學性質(zhì)和化學信號的濃度對細胞行為均有調(diào)節(jié)作用,并揭示了不同細胞種類對材料表面化學性質(zhì)的響應具有特異性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R318.08

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 王彥君,孔維佳,畢勝斌;耳廓軟骨天然生物支架材料的制備及初步研究[J];中華耳科學雜志;2005年03期

2 林智軍;王萬明;;組織工程軟骨生物支架材料研究新進展[J];中國組織工程研究與臨床康復;2007年18期

3 陳平;李新華;邢萬紅;;京尼平交聯(lián)的脫細胞牛心包生物支架材料的實驗研究[J];中國醫(yī)藥導報;2010年06期

4 閆軍偉;李愛國;陳鴻輝;;生物支架材料在骨-肌腱結點中的應用進展[J];中國矯形外科雜志;2012年20期

5 付明福;楊影;陳偉才;廖新根;戴鵬;張立超;羅軍;;噴墨打印技術同步打印細胞和生物支架材料及在組織工程中的應用[J];中國組織工程研究與臨床康復;2011年42期

6 肖峰;鄭啟新;;構建組織工程化神經(jīng)中生物支架材料的研究進展[J];生物骨科材料與臨床研究;2006年04期

7 肖榮冬;翁國星;;血管組織工程生物支架材料細胞生物相容性實驗研究[J];中國生物醫(yī)學工程學報;2007年03期

8 何君仁;楊自權;李剛;衛(wèi)小春;;脫細胞軟骨生物支架材料與大鼠骨髓間充質(zhì)干細胞共培養(yǎng)及體內(nèi)埋植后的降解[J];中國組織工程研究與臨床康復;2008年27期

9 曹志強;;組織工程膀胱構建中生物支架材料及其性能評價[J];中國組織工程研究與臨床康復;2009年51期

10 潘明新;程遠;汪燕;何國林;胡鵬運;高毅;;去細胞化肝臟生物支架材料的制備[J];南方醫(yī)科大學學報;2011年01期

相關會議論文 前1條

1 曹艷平;鄭修鵬;馮西橋;;基于屈曲方法測量生物纖維的力學性能[A];第九屆全國生物力學學術會議論文匯編[C];2009年

相關博士學位論文 前1條

1 陳敏;生物支架材料的表面化學特性對細胞生物學行為的影響[D];華東理工大學;2016年

相關碩士學位論文 前3條

1 黃歡娣;結構和功能仿生的生物支架材料的制備與研究[D];浙江理工大學;2014年

2 張琰;不同生物支架材料對表皮干細胞體外增殖能力的影響[D];暨南大學;2009年

3 周嘉安;hMSCs與Col及Col-HA支架體外復合構建軟骨及軟骨下骨的研究[D];華南理工大學;2010年

，

本文編號：2408351