【摘要】：細(xì)胞處于一個復(fù)雜動態(tài)變化的微環(huán)境中。微環(huán)境包括細(xì)胞外基質(zhì)、化學(xué)生長因子、激素和其他類型細(xì)胞的影響等,對細(xì)胞的行為和生理功能有著非常重要的影響。在體外為模擬細(xì)胞天然的微環(huán)境,不同物理、化學(xué)性質(zhì)的生物材料可用于構(gòu)建豐富多樣的細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境。理解和認(rèn)識生物材料-細(xì)胞界面相互作用以及優(yōu)化和設(shè)計生物材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),將對構(gòu)建細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境以及生物醫(yī)學(xué)研究(或疾病)模型具有重要的指導(dǎo)意義。本文針對目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛關(guān)注的不同疾病模型,選取不同細(xì)胞或組織作為研究對象,研究了多種基于生物材料的仿生細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境,其中包括梯度交聯(lián)水凝膠微環(huán)境、仿生心肌微環(huán)境、納米纖維復(fù)合生物因子微環(huán)境,目的是揭示生物材料仿生細(xì)胞外微環(huán)境與細(xì)胞行為的相互作用,為生物材料的設(shè)計和制備奠定理論和實驗基礎(chǔ),開發(fā)其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。本文的具體研究內(nèi)容如下:(1)基于梯度交聯(lián)水凝膠構(gòu)建了適于多種細(xì)胞生長的三維(3D)培養(yǎng)微環(huán)境。在96孔板內(nèi)通過凝血酶激活谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶(FXIIIa)來控制聚乙二醇(PEG)水凝膠的交聯(lián),通過改變水凝膠表面的pH來影響交聯(lián)程度,從而制備了高通量的具有交聯(lián)梯度的水凝膠;實現(xiàn)了多種細(xì)胞在三維空間里的生長和延伸,包括骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞,成纖維細(xì)胞,神經(jīng)元細(xì)胞;構(gòu)建了與臨床疾病研究相關(guān)的表皮樣囊腫模型,胰腺腫瘤模型,神經(jīng)元模型,血管生成模型和時序性接種細(xì)胞模型等,證明了梯度交聯(lián)水凝膠在細(xì)胞3D培養(yǎng)應(yīng)用的可行性,為下一步相關(guān)疾病模型的深入研究奠定了基礎(chǔ)。(2)基于瓊脂糖水凝膠和PDMS構(gòu)建了適于心肌組織生長的細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境,設(shè)計并構(gòu)建了心肌芯片裝置。首先使用模板印刷技術(shù)制備了生物相容性和導(dǎo)電性良好的3D鉑(Pt)電極,以此為基礎(chǔ),成功制備了基于瓊脂糖水凝膠和PDMS為基底材料的心肌芯片裝置。利用此芯片,實現(xiàn)了3D心肌組織的體外培養(yǎng),并利用Pt電極監(jiān)測到心肌組織一系列的電生理參數(shù),包括心肌的收縮舒張,搏動速率和動作電位等;利用該裝置研究了外加電刺激對心肌細(xì)胞行為的影響,證明了電刺激可以促進(jìn)新生大鼠心肌細(xì)胞的成熟;心肌組織生長并錨定在兩根Pt-PDMS電極柱子上,心肌收縮會帶動柱子發(fā)生位移,基于此得到了心肌的搏動力;本研究成功利用該裝置實時監(jiān)測藥物(異丙腎上腺素)對心肌組織搏動的影響,檢驗了該裝置在藥物篩選中應(yīng)用的可行性。(3)基于納米纖維支架構(gòu)建了適于干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的微環(huán)境。利用靜電紡絲方法制備了負(fù)載羥基磷灰石(HA)的聚羥基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)納米纖維支架,骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)在不同支架表面的分化實驗表明,HA的引入可以顯著促進(jìn)MSCs向成骨細(xì)胞分化,負(fù)載HA后支架上MSCs成骨相關(guān)的(包括ALP、OCN、Col I和Runx2)基因表達(dá)均上調(diào);探索了MSCs向成骨細(xì)胞分化的相關(guān)信號通路,主要包括Wnt/β-catenin信號通路,BMP-Smad信號通路,MAPK信號通路(主要包括ERK及p38),對相關(guān)信號通路的關(guān)鍵蛋白進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)MSCs向成骨細(xì)胞分化時這些信號通路都被激活,探討了PHBV/HA納米纖維材料在骨組織工程應(yīng)用的可行性。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R318.08;Q811
【圖文】：

圖 1.1 真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)示意圖[26]。一直以來，科學(xué)家們對細(xì)胞、組織和整個生命體形貌和結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展機(jī)理很感興趣。細(xì)胞處于一個復(fù)雜動態(tài)變化的微環(huán)境中。細(xì)胞所處的微環(huán)境包括細(xì)胞外基質(zhì)，化學(xué)生長因子，細(xì)胞激素和其他類型細(xì)胞等，如圖 1.2 所示。

東南大學(xué)博士學(xué)位論文圖1.3 微環(huán)境在腫瘤發(fā)展中的作用[36]。1.2.3 仿生細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境1.2.3.1 基于生物材料表面的微環(huán)境在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，生物材料的表面特性尤其重要[43-45]。表面特性，如表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和表面化學(xué)物質(zhì)，對細(xì)胞行為起著決定作用。早在 1914 年，Harrison 課題組就研究了細(xì)胞在不同固體結(jié)構(gòu)（如蜘蛛網(wǎng)或乙烯樹脂的音樂唱片）上的不同行為等[46]。對于貼壁細(xì)胞，細(xì)胞需要黏附在基底上才能生長。這類細(xì)胞有很多不同的細(xì)胞黏附受體，例如整合素可以與材料表面的化學(xué)物質(zhì)相互作用[47-50]。由于細(xì)胞黏附受體可以與多種基質(zhì)蛋白（如纖連蛋白，膠原，黏連蛋白等）相結(jié)合

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本文編號：2715747