三維納米生物界面作為指導(dǎo)細(xì)胞命運(yùn)的新平臺

屈曉宇

摘 要：細(xì)胞是人類生命活動(dòng)的基本單位。任何生命活動(dòng)，包括組織再生和疾病爆發(fā)，都與細(xì)胞行為密切相關(guān)。研究生物醫(yī)用材料與細(xì)胞表面和界面的相互作用是一個(gè)熱點(diǎn)和重要的課題。它不僅關(guān)系到醫(yī)學(xué)的發(fā)展水平，而且關(guān)系到生物材料的可靠性、安全性和耐久性。在外科學(xué)、顯微醫(yī)學(xué)、組織工程、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，納米材料是不可缺少的，尤其是在某些心血管疾病的治療中，利用微納米材料實(shí)現(xiàn)界面是一項(xiàng)迫切的工作，并且具有學(xué)術(shù)意義。近年來，隨著三維納米生物技術(shù)的發(fā)展，利用靜電紡絲技術(shù)制備的聚合物納米纖維已成為一種新型的、受歡迎的生物材料。它的特點(diǎn)就是可以模擬細(xì)胞外基質(zhì)的組成和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這就引了新的探索和細(xì)胞命運(yùn)，讓更多的研究者致力于三維納米生物界面的指導(dǎo)作用的研究，期望利用三種納米纖維的特殊結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)細(xì)胞行為，從而在醫(yī)學(xué)問題上取得巨大成就[1]。基于此，本文探討了三維納米生物界面作為指導(dǎo)細(xì)胞命運(yùn)的新平臺。

關(guān)鍵詞：納米生物材料;靜電紡絲;納米纖維;細(xì)胞行為;表界面作用

細(xì)胞是生命最基本、最重要的單位。細(xì)胞的黏附、擴(kuò)散、增殖、遷移和分化行為與生命的生長過程和疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。如果能夠研究細(xì)胞與生物材料之間的相互作用，那么人工控制細(xì)胞的各種行為是可行的，這對組織再生和疾病治療具有重要意義。聚合物納米纖維是目前應(yīng)用最廣泛的生物材料之一。它不僅在結(jié)構(gòu)上模仿細(xì)胞基質(zhì)，而且具有較大的比表面積，適合于載藥。它在組織工程、再生醫(yī)學(xué)、藥物控釋等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

一、研究三維納米生物界面作為指導(dǎo)細(xì)胞命運(yùn)的重要性

細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的黏附調(diào)節(jié)著細(xì)胞的擴(kuò)散、增殖和分化等多種功能，在胚胎發(fā)育、成熟組織的穩(wěn)態(tài)和疾病的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用。而利用了三維納米生物材料就可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞外基質(zhì)的生理生化功能的實(shí)驗(yàn)?zāi)M[2]。合成材料在細(xì)胞行為調(diào)節(jié)中起著非常重要的作用。例如，可以精確控制水凝膠的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分[3]。細(xì)胞在這種光滑平坦的表面上的行為已經(jīng)在中得到了廣泛的研究。在體內(nèi)，細(xì)胞外基質(zhì)是一種三維復(fù)雜的微納米纖維結(jié)構(gòu)。顯然，水凝膠材料很難模擬[4]。聚合物納米纖維的結(jié)構(gòu)與人體細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)完全相似，靜電紡絲法制備的納米纖維能很好地調(diào)節(jié)纖維的結(jié)構(gòu)和性能。如果研究不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的納米纖維與細(xì)胞表面的相互作用機(jī)理，不僅可以確定細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞相互作用的機(jī)理，而且可以人為地控制細(xì)胞的行為（有助于深入了解和認(rèn)識生命過程）。

生物材料與細(xì)胞表面界面相互作用的研究是生物材料研究與評價(jià)的重要內(nèi)容。它的重要性不僅在于評價(jià)生物材料必須通過研究相應(yīng)的細(xì)胞對材料的反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，靜電紡絲法制備的聚合物納米纖維作為一種生物材料引起了人們的廣泛關(guān)注和研究，不同類型的細(xì)胞，其自身的表面界面性質(zhì)除了共性外，還存在一定的個(gè)性，而且與癌細(xì)胞一樣，表面和界面性質(zhì)都在動(dòng)態(tài)變化，越來越多的研究者進(jìn)入了探索領(lǐng)域。相信通過可控的結(jié)構(gòu)和性能來探索細(xì)胞與工程納米纖維表面界面相互作用的機(jī)理將成為未來研究的熱點(diǎn)。當(dāng)涉及材料與細(xì)胞的界面時(shí)，首先要提到細(xì)胞的表面結(jié)構(gòu)和行為。本部分簡要介紹了細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)和細(xì)胞增殖、黏附（黏附）、分化和遷移（運(yùn)動(dòng)）的基本知識，并結(jié)合近年來發(fā)表的文獻(xiàn)介紹了納米纖維與細(xì)胞表面界面相互作用的最新進(jìn)展。

二、三維納米材料在生物醫(yī)學(xué)上的廣泛應(yīng)用價(jià)值分析

納米材料由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在生物組織工程材料、生物傳感器、藥物載體、重大惡性疾病診斷和治療等預(yù)示出強(qiáng)大的臨床應(yīng)用前景和巨大潛力。然而，由于納米材料具有高度的非均勻性和非平衡的動(dòng)態(tài)生理環(huán)境，納米材料不能完全靶向靶點(diǎn)，并繼續(xù)與生物系統(tǒng)中的分子和結(jié)構(gòu)相互作用，導(dǎo)致表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化，進(jìn)而影響到納米材料的性能它們進(jìn)入細(xì)胞的方式以及它們在生物體內(nèi)行為的最終命運(yùn)。早在2010年，中科院的陳春英的研究小組就首次發(fā)現(xiàn)碳納米管進(jìn)入血液系統(tǒng)，可以迅速吸附血液中的蛋白質(zhì)，形成納米“蛋白冠”，從而降低碳納米管的生物毒性（Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2011，108，16968-16973）[5]。近年來，以中科院國際納米科學(xué)中心王浩課題組的研究備受關(guān)注，開發(fā)了“活體自組裝”技術(shù)，這個(gè)技術(shù)的特點(diǎn)就是在細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建了一種不同拓?fù)渚W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的三維納米材料，并對細(xì)胞內(nèi)原位聚合和組裝的有了全新的認(rèn)知和方法論，為功能設(shè)計(jì)提供了新思路納米材料。隨著納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的研究和認(rèn)可，如藥物輸送、組織工程等，使得三維納米材料其獨(dú)有的生物界面的指導(dǎo)價(jià)值得以充分的體現(xiàn)，并使得三維納米材料的傳遞效應(yīng)突顯。實(shí)現(xiàn)了三維納米材料在生理環(huán)境中的自發(fā)構(gòu)建和功能化。以往的研究指出，特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在生命中起著獨(dú)特的作用，如具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA、具有特定3D結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)大分子以及各種傳遞信號的分子復(fù)合物。材料和界面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響生物功能，如界面的形態(tài)可以誘導(dǎo)干細(xì)胞定向分化，決定細(xì)胞的遷移和內(nèi)吞作用。研究了特定區(qū)域內(nèi)材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與生物功能的關(guān)系，以期為精細(xì)功能納米材料的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。目前，體外構(gòu)建的納米材料不能區(qū)分界面和細(xì)胞內(nèi)的相互作用，干擾了對極限拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與生物功能關(guān)系的分析和理解。

王浩課題組的研究首次實(shí)現(xiàn)了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)納米材料在細(xì)胞中的并行構(gòu)建，為納米材料的研究提供了一種有效的方法研究細(xì)胞質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的手段。其設(shè)計(jì)中把具有不同氨基酸序列的多肽單體，運(yùn)用到對于細(xì)胞內(nèi)聚合過程的控制中，使聚合物的分子量、溫度敏感性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到干預(yù);在細(xì)胞和組織水平上原位確定多肽單體的聚合和組裝過程。

三、不同的三維納米材料的表面形態(tài)會對細(xì)胞的行為起調(diào)控的作用

羅超等用不同濃度的聚乳酸溶液靜電紡絲制備了不同表面粗糙度的纖維。纖維表面的珠狀突起常被認(rèn)為是纖維制備過程中的一個(gè)缺陷。他們的研究表明，纖維的珠狀結(jié)構(gòu)不僅對細(xì)胞沒有任何毒性，而且能調(diào)節(jié)細(xì)胞的黏附和分化等行為。從體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)皮下成骨實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)具有適當(dāng)表面粗糙度的微納米纖維，可顯著促進(jìn)干細(xì)胞的黏附和成骨分化。一些研究人員利用納米纖維的表面微觀圖案來控制細(xì)胞行為。通過使用一些特殊的靜電紡絲接收裝置，可以獲得表面具有可控微圖案的納米纖維。在一些地方，纖維更密集，有些地方相對稀疏，形成不同大小的微圖案。當(dāng)細(xì)胞接種在具有這種圖案的纖維上時(shí)，在共聚焦激光掃描下觀察培養(yǎng)5天后的染色。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，幾乎所有的細(xì)胞都只出現(xiàn)在纖維密集的地方，這是一個(gè)有趣的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，研究人員調(diào)控了細(xì)胞在纖維上特定位置的黏附和生長，從而為有序構(gòu)建多細(xì)胞系統(tǒng)提供了可能。除了纖維的物理模式外，生化模式還可以調(diào)節(jié)細(xì)胞對特定部位的黏附，可以看出結(jié)果相似。在這方面的研究中，Jason的研究小組可以通過纖維表面與RGD的紫外反應(yīng)獲得RGD分子圖案的納米纖維，界面上的細(xì)胞會選擇性地黏附在這種生化圖案上。另外在2016年，nature materials對三維納米纖維剛度對細(xì)胞黏附、擴(kuò)散和遷移行為影響的深入研究。文獻(xiàn)中首次制備了不同剛度和硬度的納米纖維、水凝膠和膠原基質(zhì)，并研究了細(xì)胞在其界面上的黏附行為[8]。結(jié)果都表明，兌于水凝膠，細(xì)胞在硬質(zhì)樣品上表現(xiàn)出較大的面積和良好的黏附性，而對于納米纖維則相反。如前面的背景知識所述，只有良好的細(xì)胞黏附才能使細(xì)胞遷移良好。顯示了上述材料界面上細(xì)胞遷移和移動(dòng)的結(jié)果。結(jié)果確實(shí)與黏附力有關(guān)。對于納米纖維，較小的剛度適合細(xì)胞遷移，且細(xì)胞遷移速度較快。軟纖維適用于電池重置其周圍環(huán)境，如將光纖向前拉。

四、結(jié)語

三維納米生物界面作為指導(dǎo)細(xì)胞命運(yùn)的新平臺的運(yùn)用在我國剛剛起步，還有許多的工作需要去完成，對于三維納米生物材料在醫(yī)學(xué)、生物界等領(lǐng)域的運(yùn)用前景看好，并且具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

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