高分子表面微圖案技術研究干細胞形狀、尺寸和密度對其分化的影響.pdf

1、細胞與材料相互作用是生物材料學、細胞生物學和再生醫(yī)學的一個基本科學問題，相關研究對于生物材料的設計具有重要的指導意義。細胞作為生命活動的基本單元，對單細胞的研究能直接反映細胞內本質的變化。但由于高效的單細胞研究手段的相對不足，這方面的進展仍然不夠。微米圖案技術，能在基底上實現細胞黏附反差，從而能控制細胞的定位，經調節(jié)細胞可黏附區(qū)域即黏附島的大小，可以有效地實現單細胞的黏附，且樣本數量大，可用于統(tǒng)計而得到可信的結論，在對單細胞的研究中有很

2、好的應用前景。
　　 組織器官不是由單細胞組成的，而是多個或多種細胞及胞外的基質等組成的一個大社會。細胞與細胞之間相互作用也是組織工程中重要的基礎科學問題。多細胞的聚集程度，即細胞密度也非常重要。微米圖案技術，通過控制細胞的定位，從而可以有效地控制細胞與細胞的接觸、細胞的聚集程度等，是研究多細胞之間相互作用的有效手段。
　　 骨髓基質干細胞具有多向分化潛能且易于體外擴增，取自成體而不涉及倫理范疇，是組織工程理想的種子細胞

3、類型。干細胞分化是當今自然科學的研究前沿。
　　 本博士論文選用骨髓基質干細胞為模型，借助高分子基底上獨到的圖案化技術來研究影響干細胞分化的各種物理因素，包括單細胞分化的形狀效應、尺寸效應，以及多細胞狀態(tài)下干細胞分化的密度效應。
　　 本論文的主要創(chuàng)新性工作包含以下幾方面：
　　 1.制備了具有強烈細胞黏附反差的微圖案化表面的高分子水凝膠，并提出了適于細胞形狀研究的黏附島面積的判據以及基于顯微照片統(tǒng)計干細胞分化程

4、度的半定量方法。論文工作過程中制備了聚乙二醇(PEG)水凝膠表面精氨酸-甘氨酸一天冬氨酸(RGD)微圖案，并借助于該高分子強烈抗拒細胞黏附的特征實現了細胞在黏附島上的良好而持久的定位。在此基礎上，建立了利用圖案化表面的細胞顯微照片判斷骨髓基質干細胞成骨分化和成脂分化的統(tǒng)計方法，并且提出了最適于考察細胞形狀效應的細胞可黏附的微島面積的判據。這樣，為成功實現不同形狀和長徑比的單細胞的定位，并合理、有效地基于微圖案化表面研究單個或數個干細胞向

5、成骨和成脂方向分化奠定了方法學的基礎。
　　 2.揭示細胞形狀影響干細胞分化，并發(fā)現對于骨髓基質干細胞分化存在最佳長徑比。利用我們課題組發(fā)展的PEG水凝膠表面微圖案化技術，實現了骨髓基質干細胞的長時間定位，并在合適條件下持久維持所設定的圓形、方形、三角形、星形以及不同長徑比的矩形等一系列不同形狀，揭示細胞形狀顯著影響干細胞在成骨/成脂分化液中的分化程度，如：圓形細胞更易于向成脂肪細胞分化、星形細胞更易于向成骨細胞分化；并且在考察

6、長徑比效應時發(fā)現，雖然成脂分化隨長徑比增加單調下降，但是成骨分化隨著長徑比上升呈現峰值，即，存在最佳長徑比。
　　 3.系統(tǒng)研究了細胞尺寸、細胞接觸和細胞密度對于干細胞分化的影響，利用化學圖案化技術解構了細胞密度影響干細胞分化的內在物理因素。論文利用了微圖案化技術，一種細胞接種密度下在不同黏附島上實現了不同的局部密度，并且可以獨立研究細胞尺寸、細胞之間的接觸以及細胞密度的影響。結論證實，細胞尺寸和接觸都會影響骨髓基質干細胞的成骨