細(xì)胞梯度力學(xué)微環(huán)境體外構(gòu)建的研究

王 琳,何 楠,李昱輝,周寶珍,李 娜

(1.西安外事學(xué)院a.醫(yī)學(xué)院;b.生命科學(xué)應(yīng)用研究中心,中國陜西西安710077;2.西安交通大學(xué)a.生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;b.仿生工程與生物力學(xué)中心,中國陜西西安710049)

機體內(nèi)的細(xì)胞處于一個由基質(zhì)、細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)和細(xì)胞因子組成的復(fù)雜動態(tài)微環(huán)境中。ECM的理化性質(zhì)、周圍細(xì)胞的生長情況、各種生化因子的濃度及濃度梯度,都會對細(xì)胞活動產(chǎn)生影響。力學(xué)環(huán)境對于維持生物體特殊的生命活動不可缺少,力學(xué)環(huán)境的異常將全部或部分改變生命過程。如干細(xì)胞與其局部微環(huán)境相互作用,可調(diào)節(jié)細(xì)胞行為并指導(dǎo)其發(fā)育過程,多能干細(xì)胞的微環(huán)境調(diào)節(jié)其自我更新與分化[1]。許多疾病的發(fā)生發(fā)展與細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境的異常密切相關(guān)。例如:心肌在受損時會發(fā)生心肌纖維化,過度表達(dá)膠原并沉積,導(dǎo)致ECM剛度升高,引起心肌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化,心肌纖維化程度加重[2～3]。此外,微環(huán)境力學(xué)特性的非均勻性在細(xì)胞相互作用等行為中也發(fā)揮著重要的作用。例如:細(xì)胞遷移是組織修復(fù)過程的關(guān)鍵行為之一。在均勻環(huán)境中,細(xì)胞呈現(xiàn)無規(guī)律遷移運動,而在具有一定力學(xué)梯度的環(huán)境中,細(xì)胞膜和細(xì)胞骨架會重新排布,細(xì)胞呈現(xiàn)顯著差異的極化狀態(tài)[4]。Movilla等[5]通過微流體實驗發(fā)現(xiàn),改變水凝膠的濃度,會影響成骨細(xì)胞的遷移模式,并最終影響骨的再生。微環(huán)境中的細(xì)胞因子梯度在多種生理和病理現(xiàn)象中起重要作用,例如:免疫應(yīng)答、傷口愈合、發(fā)育和癌癥轉(zhuǎn)移[6]。Vining等[1]制作了一種模擬干細(xì)胞微環(huán)境的模型,該模型可精確控制干細(xì)胞微環(huán)境的生物物理和化學(xué)性質(zhì),并確定基質(zhì)剛度等大小,以用于支持干細(xì)胞再生療法。因此,構(gòu)建細(xì)胞梯度力學(xué)微環(huán)境并探索其對細(xì)胞調(diào)控作用的研究已受到越來越多的關(guān)注。

1 細(xì)胞力學(xué)刺激

根據(jù)功能和所處位置的不同,細(xì)胞暴露在不同的力學(xué)刺激中,既有外部的,也有內(nèi)部的。外界機械刺激一般包括靜水壓、剪切力、壓力、牽張力以及高頻振動等;內(nèi)部刺激主要由細(xì)胞骨架牽拉胞膜和細(xì)胞器而產(chǎn)生。本文主要介紹剛度和拉壓應(yīng)力兩種力學(xué)刺激。體細(xì)胞可被動感受周圍ECM剛度、粘彈性等力學(xué)信號,從而影響?zhàn)ぶ吆团潴w的結(jié)合,進(jìn)一步調(diào)控細(xì)胞黏附、細(xì)胞骨架組裝和解離、細(xì)胞分化和增殖等行為;也可主動感受微環(huán)境中存在的多種應(yīng)力刺激,如拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、流體剪切應(yīng)力等,從而調(diào)控細(xì)胞行為。

1.1 剛度(stiffness)

細(xì)胞與ECM構(gòu)成的界面是實現(xiàn)細(xì)胞正常生理功能的主要支撐。為了保持細(xì)胞活力,正常組織細(xì)胞必須附著在天然的ECM或工程支架上[7]。人體內(nèi)不同組織中ECM的剛度不同,如神經(jīng)、脂肪等軟組織中,ECM的剛度小;在牙齒、骨等硬組織中,ECM的剛度大[8]。隨著人體生理過程以及病理過程的變化,組織ECM的剛度會發(fā)生改變。而且,ECM剛度小的組織易發(fā)生變形,剛度大的不易發(fā)生變形。ECM的這種力學(xué)性質(zhì)影響了細(xì)胞的生物學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞是通過感受施加在黏附配體及肌動蛋白-肌球蛋白細(xì)胞骨架上的力而獲知ECM的剛性,再通過黏著斑-整合素將信號傳遞到相鄰細(xì)胞和ECM,構(gòu)成信號網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)對細(xì)胞特異性調(diào)控[9]?；|(zhì)剛度不僅對細(xì)胞的黏附、鋪展、分化、遷移行為具有調(diào)控作用,比如:生長于給定剛度基質(zhì)的上皮細(xì)胞在遷移到新的剛度基質(zhì)上時,相對于軟ECM其遷移速度更快,這也說明細(xì)胞對基質(zhì)剛度有“機械記憶”[10];而且對細(xì)胞的發(fā)育、再生以及疾病的發(fā)生發(fā)展同樣發(fā)揮重要的作用[7],例如:病理狀態(tài)下,癌癥組織的ECM剛度會比正常組織高出5～20倍[11]。

1.2 拉壓應(yīng)力(tensile/compressive stress)

機體細(xì)胞處于一個復(fù)雜應(yīng)力刺激微環(huán)境中,而拉壓應(yīng)力普遍存在于多種細(xì)胞的增殖、生長發(fā)育以及凋亡等重要生理活動中。例如:在骨骼肌收縮、血管收縮過程中,細(xì)胞時刻都會受到拉伸力刺激作用;在軟骨發(fā)育中,軟骨組織常常承受來自周圍組織一定大小和頻率的壓應(yīng)力,而壓應(yīng)力可使軟骨細(xì)胞發(fā)生形態(tài)和結(jié)構(gòu)的改變。此外,拉壓應(yīng)力刺激對心肌組織結(jié)構(gòu)和功能的影響亦較顯著。例如:宏觀上心臟會受到泵的牽拉或按壓作用,微觀上心肌細(xì)胞會受到ECM的牽張和壓縮、細(xì)胞自身的內(nèi)張力作用。這些力學(xué)刺激對于維持細(xì)胞各自特殊的生命活動不可缺少,而力學(xué)環(huán)境的異常也將全部或部分改變其生命過程。比如:高血壓患者血壓長期處于較高水平,對血管壁產(chǎn)生的壓應(yīng)力可激活跨膜蛋白,進(jìn)而上調(diào)促血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖的蛋白激酶,最終引起血管結(jié)構(gòu)與功能的改變[12]。又如:長期臥床病人因缺乏運動,骨組織及骨細(xì)胞缺少適當(dāng)力學(xué)刺激,在骨改建過程中破骨細(xì)胞活性增加,骨組織減少,同時也會誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向脂肪細(xì)胞分化[13]。因此,拉壓應(yīng)力在機體正常生理和病理過程中均發(fā)揮重要作用。

2 細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境構(gòu)建及表征方法研究

為了探索細(xì)胞生理及病理發(fā)生的本質(zhì),在體外構(gòu)建模擬體內(nèi)細(xì)胞生存的微環(huán)境成為一種有效的研究手段,常用方法是二維和三維細(xì)胞培養(yǎng)。目前,針對不同研究對象和研究目的,采用先進(jìn)微/納米制造技術(shù)已開發(fā)出基于不同基質(zhì)材料、不同力學(xué)刺激方式的體外二維、三維細(xì)胞微環(huán)境模型。其中三維模式更接近細(xì)胞生存環(huán)境,這也將推進(jìn)組織再生、組織體外模型、大規(guī)模細(xì)胞分化、免疫療法和基因治療等領(lǐng)域的發(fā)展,但細(xì)胞微環(huán)境中的化學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和電生理學(xué)的變化依然是最大的阻礙[14]。盡管如此,研究人員依然力求通過體外模型的構(gòu)建能夠揭示細(xì)胞內(nèi)力學(xué)信號傳導(dǎo)通路及細(xì)胞行為力學(xué)的調(diào)控機制。

2.1 基于基質(zhì)材料的研究

基質(zhì)材料的選擇與研究目的密切相關(guān),既應(yīng)能為細(xì)胞和組織提供結(jié)構(gòu)支持,同時也應(yīng)實現(xiàn)細(xì)胞與基質(zhì)間信號的傳導(dǎo)?；|(zhì)材料剛度對細(xì)胞的黏附、鋪展、增殖、遷移和分化等功能與行為影響顯著,其可調(diào)控性在微環(huán)境構(gòu)建中十分關(guān)鍵?；|(zhì)材料按來源可分為天然生物材料(膠原、藻酸鹽等)、人工合成生物材料(玻璃、陶瓷等)以及復(fù)合生物材料(有機材料和無機材料的復(fù)合、生物性和非生物性材料的復(fù)合等)。由于基質(zhì)材料表面的一些化學(xué)官能團、親疏水性及帶電性會影響細(xì)胞的黏附作用,因此用于模擬體內(nèi)ECM的材料應(yīng)盡可能具備生物相容性、功能相似性等。目前,研究人員常常采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)印章法[15]、光刻法[16]、微流控陣列法[17]等特殊工藝在基質(zhì)材料表面進(jìn)行活化或修飾活性分子,使其更利于細(xì)胞黏附。同時,基質(zhì)材料還應(yīng)具有良好的力學(xué)性能,便于精確調(diào)控和模擬基質(zhì)的力學(xué)范圍。由于機體不同組織的剛度不同,因而在研究牙齒、骨、軟骨組織等ECM剛度較大組織的細(xì)胞力學(xué)行為時,宜多選擇剛度較大的玻璃、硅片、陶瓷、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)和PDMS等基質(zhì)材料;而在研究肌肉、腦、神經(jīng)等軟組織的細(xì)胞力學(xué)行為時,宜多選取膠原、明膠、水凝膠、聚合物支架等剛度較小的基質(zhì)材料。Qing等[18]利用還原石墨烯-電紡絲納米纖維復(fù)合支架誘導(dǎo)SH-SY5Y細(xì)胞的定向生長與分化,此模型在神經(jīng)性疾病損傷治療中有著巨大潛力。此外,在基質(zhì)選擇中,還需注意ECM和各種組織間所具有的粘彈性和隨后的應(yīng)力松弛。比如:Bauer等[19]為了測試應(yīng)力松弛對成肌細(xì)胞的影響,制備了一組具有不同的初始彈性模量和松弛率的二維RGD(Arg-Gly-Asp peptides)藻酸鹽水凝膠基質(zhì),發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力松弛水凝膠基質(zhì)上培養(yǎng)的成肌細(xì)胞的擴散和增殖能力均強于具有相同初始彈性模量的純彈性基質(zhì)上的細(xì)胞?？偟膩碇v,研究者可以通過選取不同的基質(zhì)材料,構(gòu)建具有不同剛度的體外微環(huán)境,從而開展體外研究并獲得剛度對細(xì)胞行為的影響機制。

2.2 基于力學(xué)加載方法的研究

由于細(xì)胞在體內(nèi)受到的應(yīng)力種類(拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、流體剪切力等)、作用時間(長期、短期或靜態(tài)、動態(tài))、作用頻率(高頻、低頻)、作用方式(單一效應(yīng)或聯(lián)合效應(yīng))各不相同,因此需要在體外搭建特定的應(yīng)力加載平臺,進(jìn)而探討不同細(xì)胞對機械應(yīng)力的響應(yīng)機制?，F(xiàn)有的力學(xué)加載方法和裝置依據(jù)不同研究目的和研究對象有不同分類:根據(jù)研究對象水平不同,可分為單細(xì)胞或單分子水平(光鑷[20]、磁鑷[21]、玻璃微管[22]、微流控芯片[23]、分子梳[24]、原子力顯微鏡[25])和多細(xì)胞、微組織或組織水平的力學(xué)加載方法;根據(jù)力學(xué)性質(zhì)不同,有拉伸裝置、壓縮裝置、灌流裝置、離心裝置等加載裝置;根據(jù)力學(xué)刺激方式不同,分為循環(huán)刺激、單一刺激、高頻刺激、低頻刺激、單向刺激、雙軸刺激等;根據(jù)研究對象數(shù)量不同,可分為高通量和低通量。ECM是細(xì)胞活動的基礎(chǔ),可將微環(huán)境中力學(xué)信號傳遞給細(xì)胞。因此,體外對基質(zhì)材料施加力學(xué)載荷,成為探索細(xì)胞對拉應(yīng)力、壓應(yīng)力反應(yīng)機制的理想研究手段。其中,Flexercell力學(xué)加載系統(tǒng)就實現(xiàn)了對載細(xì)胞基質(zhì)的循環(huán)拉伸(壓縮)模擬[26]。Lee等[27]采用Flexercell力學(xué)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)5%應(yīng)變的循環(huán)拉伸加載可促使人韌帶成纖維細(xì)胞沿主應(yīng)力方向排列,同時膠原蛋白表達(dá)水平增加。目前,也出現(xiàn)了在空間和時間產(chǎn)生動態(tài)刺激的單細(xì)胞分析的微流體平臺,其結(jié)合了活細(xì)胞成像系統(tǒng),可實時觀察細(xì)胞的動態(tài)反應(yīng)[28]。雖然很多種力學(xué)加載裝置已經(jīng)問世,但這些裝置都各有優(yōu)缺點,在應(yīng)用范圍上也存在相應(yīng)局限性,難以模擬體內(nèi)組織真實受力情況,因此仍需開發(fā)更多力學(xué)加載裝置和方法,從而實現(xiàn)更精準(zhǔn)和更可控的加載條件的調(diào)控。

2.3 細(xì)胞微環(huán)境力學(xué)表征

對于細(xì)胞所處的復(fù)雜的力學(xué)微環(huán)境,人們主要通過基質(zhì)材料的力學(xué)特性、細(xì)胞力學(xué)行為以及細(xì)胞-基質(zhì)界面力學(xué)特性的測量三方面來表征,同時研究人員也希望應(yīng)用大量的數(shù)學(xué)模型來揭示微環(huán)境中細(xì)胞行為改變的生物物理機制[29]。三方面表征的具體表現(xiàn)如下:1)基質(zhì)材料力學(xué)特性表征:基質(zhì)剛度通常采用彈性變形范圍內(nèi)測其楊氏模量(Young’s modulus)的方法來表征,在該方法中傳統(tǒng)力學(xué)性能測試機、微納壓痕儀、原子力顯微鏡等儀器可以滿足測量需求;2)細(xì)胞力學(xué)行為表征:目前針對細(xì)胞拉應(yīng)力的表征方法包括硅膠薄膜測量法[30]、顯微鏡技術(shù)[31]、微組裝懸臂梁[32]等。其中,硅膠薄膜測量法僅限于特定細(xì)胞,存在薄膜變形非線性、分析困難等局限性。早期拉應(yīng)力顯微鏡技術(shù)主要通過測量修飾和包埋的熒光粒子的位移改變,分析計算基底彈性材料變形的應(yīng)力/應(yīng)變信息,從而反應(yīng)二維環(huán)境中細(xì)胞所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。牽張力顯微測量技術(shù)不僅可實現(xiàn)單個細(xì)胞拉應(yīng)力的研究;而且通過整合現(xiàn)有技術(shù)還可實現(xiàn)細(xì)胞-細(xì)胞以及細(xì)胞群拉應(yīng)力的研究。此外,通過整合激光共聚焦熒光顯微鏡技術(shù),人們實現(xiàn)了三維細(xì)胞組織拉應(yīng)力的測量,但該方法常常需要自主開發(fā)圖像分析及計算程序。水平微組裝懸臂梁技術(shù)的檢測結(jié)果是一維尺度的,因而催生了垂直微柱力傳感器陣列技術(shù)。該方法通過微柱彎曲變形程度測定細(xì)胞拉應(yīng)力,實現(xiàn)了二維空間上的拉應(yīng)力測量。隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,研究人員構(gòu)建了細(xì)胞生存的三維微環(huán)境,通過微柱彎曲變形測量細(xì)胞群的收縮力,證實了微柱陣列剛度對細(xì)胞行為的影響作用[33～34]。但該方法本身存在技術(shù)缺陷,因此三維環(huán)境中的拉應(yīng)力測量方法還需提高和改進(jìn);3)細(xì)胞-基質(zhì)界面力學(xué)特性表征:目前在分子水平研究細(xì)胞-基質(zhì)界面力學(xué)特性的方法主要是熒光張力檢測探針法,其通過檢測熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率的變化,推測出細(xì)胞-基質(zhì)界面力學(xué)的變化。該方法實現(xiàn)了整合素和基質(zhì)蛋白的連接強度、細(xì)胞膜上力敏感蛋白的拉伸強度等分子水平的力學(xué)測試,對于探究細(xì)胞力學(xué)信號傳導(dǎo)機制具有重大意義。

3 梯度力學(xué)微環(huán)境研究現(xiàn)狀

體外細(xì)胞的力學(xué)環(huán)境調(diào)控研究,可通過改變細(xì)胞培養(yǎng)中所使用的基質(zhì)材料的力學(xué)特性,或?qū)ε囵B(yǎng)細(xì)胞或組織模塊施加不同大小、類型的力學(xué)刺激等方式實現(xiàn)。傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)體系,雖可實現(xiàn)不同基質(zhì)力學(xué)特性對細(xì)胞行為影響的研究,且方法簡單、干擾因素少、研究因素單一,但難以模擬細(xì)胞在體內(nèi)的三維環(huán)境,因此三維細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境研究意義重大。另外,在組織形態(tài)發(fā)生和細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中,力學(xué)信號并不總是均一的,而是存在一定梯度。這些力學(xué)信號的空間、時間梯度對細(xì)胞增殖、遷移、分化、炎癥、損傷修復(fù)和癌癥等各種行為影響顯著,也日益成為研究熱點。

3.1 剛度梯度研究

成熟機體中,骨、軟骨、筋膜等不同組織界面的交界處常存在一定的剛度梯度。同時,細(xì)胞周圍基質(zhì)剛度的大小并不是一成不變的,而是隨時間動態(tài)變化的,例如機體心外膜、密質(zhì)骨的剛度從胚胎期到成年期會隨時間逐漸增大。組織工程方法是在體外的生物材料支架中重現(xiàn)天然ECM的顯著梯度特征,從而可更精確地調(diào)控細(xì)胞在梯度方向的黏附遷移和分化等行為。水凝膠是包埋細(xì)胞并調(diào)控三維細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境時用得最多的一種生物材料。水凝膠中聚合物的濃度可影響水凝膠剛度,人們可通過改變水凝膠剛度探究剛度對細(xì)胞行為的影響。目前,大量研究已證實ECM的剛度梯度可調(diào)控細(xì)胞行為,影響細(xì)胞遷移、排列、分化、增殖和凋亡[35]。Sharma等[36]構(gòu)建了(10～30)kPa、(30～50)kPa和(70～90)kPa 3種不同剛度梯度的水凝膠來模擬肌腱組織和類骨質(zhì)的剛度,發(fā)現(xiàn)在(70～90)kPa梯度下的基質(zhì)可誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。Jeon等[37]通過構(gòu)建模擬在體肌肉組織的剛度梯度,證實間充質(zhì)干細(xì)胞具有向ECM剛度較大的方向遷移的趨勢。目前已有多種基于水凝膠剛度梯度的微環(huán)境建立方法,如微流控法、光圖形法及光交聯(lián)法等。其中,通過在微流控流道兩端加入不同單體(聚合物)濃度的凝膠前體溶液,并基于擴散效應(yīng)形成具有剛度梯度的水凝膠方法,由于其擴散效應(yīng)發(fā)生迅速,對通道長度有所要求,所以制備的樣品尺寸較大;基于光刻技術(shù)并結(jié)合PDMS的光圖形法構(gòu)建的剛度梯度微環(huán)境,常存在剛度范圍不連續(xù)且會發(fā)生突變的局限性,因此不適用于研究連續(xù)剛度微環(huán)境對細(xì)胞行為的影響[38];而基于呈灰度分布的光掩膜的光交聯(lián)技術(shù),適用于研究連續(xù)的剛度微環(huán)境對細(xì)胞黏附、增殖、遷移、分化行為的影響[39]。在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,剛度梯度水凝膠的基礎(chǔ)和臨床醫(yī)學(xué)的研究將進(jìn)一步推動其發(fā)展,而且梯度剛度水凝膠的設(shè)計方法與應(yīng)用系統(tǒng)也是現(xiàn)今的研究熱點[35]。但總體來說,剛度梯度力學(xué)微環(huán)境的構(gòu)建及調(diào)控方法研究仍處在初級階段,還需更多探索。

3.2 應(yīng)力/應(yīng)變梯度研究

體細(xì)胞除感受ECM剛度特性外,還會感受到復(fù)雜的應(yīng)力刺激。拉伸力學(xué)刺激在肌肉、結(jié)締組織、肺、膀胱等較軟的組織器官較為常見。目前,體外力學(xué)刺激研究體系主要是通過對載細(xì)胞基底(如水凝膠、高分子薄膜、PDMS等)進(jìn)行拉伸載荷,進(jìn)而對細(xì)胞施加均一分布的應(yīng)力/應(yīng)變刺激。然而在生理病理狀態(tài)下,機體細(xì)胞所感受到的應(yīng)力/應(yīng)變刺激往往呈梯度分布,因此,開發(fā)應(yīng)力/應(yīng)變力學(xué)加載系統(tǒng)對于研究體內(nèi)梯度力學(xué)刺激下細(xì)胞的行為功能具有指導(dǎo)性意義。Wang等[4]結(jié)合光刻技術(shù)構(gòu)建了基于特異形狀的水凝膠二維梯度應(yīng)力/應(yīng)變微環(huán)境加載方法,研究了梯度應(yīng)力/應(yīng)變刺激對C2C12細(xì)胞定向排列的影響。研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞的定向排列與所受應(yīng)變刺激大小密切相關(guān),當(dāng)應(yīng)變大于一定值時,細(xì)胞會出現(xiàn)“應(yīng)變避讓”,也就是細(xì)胞排列的方向垂直于力學(xué)拉伸的方向;而應(yīng)變小于一定值時,細(xì)胞排列平行于力學(xué)拉伸的方向。但是,體內(nèi)大部分細(xì)胞是處于被ECM包裹的三維微環(huán)境中,且細(xì)胞在三維力學(xué)的刺激下,也表現(xiàn)出與二維培養(yǎng)完全不同的響應(yīng)行為。Henshaw等[40]在研究循環(huán)牽張應(yīng)力作用于膠原凝膠包裹的三維組織模型中的ACL成纖維細(xì)胞時發(fā)現(xiàn),細(xì)胞排列的方向平行于力學(xué)拉伸的方向。目前,三維構(gòu)建方法仍存在樣品大、應(yīng)變范圍較小、低通量等局限性。因此,開發(fā)大應(yīng)變、微尺度、高通量力學(xué)加載系統(tǒng)刻不容緩。一旦這些加載系統(tǒng)得到有效發(fā)展,將極大促進(jìn)三維細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境的體外構(gòu)建,有助于模擬體內(nèi)生理/病理狀態(tài),使力學(xué)刺激下細(xì)胞的行為響應(yīng)結(jié)果更精確。

4 展望

組織工程和再生醫(yī)學(xué)的目標(biāo)是為了修復(fù)和替換器官而創(chuàng)建有功能的人體組織。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),組織工程必須重建體內(nèi)組織的物理、化學(xué)等特性,并復(fù)制細(xì)胞和微環(huán)境的復(fù)雜相互作用,從而調(diào)節(jié)組織形態(tài)發(fā)生、功能和再生。從傳統(tǒng)組織工程的角度來看,梯度依賴的基底具有實驗路線快速、單一的優(yōu)勢,從而可用于優(yōu)化生物材料。微納技術(shù)已成為解決組織工程中一些挑戰(zhàn)性問題的潛在的強有力工具,既為準(zhǔn)確控制細(xì)胞微結(jié)構(gòu)和微環(huán)境提供了可能性,也為研究細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與ECM之間的力學(xué)、電生理作用提供了技術(shù)平臺,對于闡明疾病的發(fā)病/致病機理十分重要。更重要的是,在生物材料設(shè)計中化學(xué)和/或物理梯度的直接合并有利于構(gòu)建不均勻的組織和組織界面。而進(jìn)一步深入研究梯度力學(xué)刺激與細(xì)胞的關(guān)系,將有助于我們了解力學(xué)微環(huán)境在某些疾病的發(fā)病機理和創(chuàng)傷修復(fù)過程中的作用,有助于針對這些機理、過程采取新的更有效的應(yīng)對策略,這在組織工程、基因治療和提高創(chuàng)傷修復(fù)質(zhì)量中具有重要意義。細(xì)胞微環(huán)境的動態(tài)變化對干細(xì)胞的生長也有重大影響,設(shè)計具有動態(tài)控制功能的水凝膠材料并將其用于揭示干細(xì)胞微環(huán)境的時空變化,將使干細(xì)胞在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)揮更大的潛力[41]。