细胞-生物材料锚固的组织调节

1、Tuning of CellBiomaterial Anchorage for TissueTissue RegenerationRegeneration Daniel Mo细胞-生物材料锚固的组织调节 When Cells Meet Materials: Cell Attachment and Tissue RepairWhen Cells Meet Materials: Cell Attachment and Tissue Repair 当细胞遇到材料：细胞粘附和组织修复当细胞遇到材料：细胞粘附和组织修复细胞粘附和组织修复细胞粘附和组织修复细胞生物材料的联系细胞生物材料的联系时空官能化时空

2、官能化结论与展望结论与展望1234创伤性疾病创伤性疾病或者或者伤害伤害健康组织生理结构和功能破坏健康组织生理结构和功能破坏关键关键：通过人工支架通过人工支架使使受损的细胞外基质临时更换受损的细胞外基质临时更换有助于恢复失去的平衡，创造一个适宜的理化有助于恢复失去的平衡，创造一个适宜的理化环境环境，从而重构细胞，从而重构细胞基质和细胞基质和细胞细胞粘连之间的合细胞粘连之间的合作均衡作均衡。细胞粘附和组织修复细胞粘附和组织修复RESEARCH NEWS分化代谢活化产生极性 极化细胞材料停泊处伸展迁移增殖生物材料机械传感焦点粘连细胞外基质蛋白细胞外基质蛋白A A 结合结合 整合素整合素B B 和和

3、整合素整合素C C，穿过，穿过 细细胞膜胞膜D D。整合素通过胞外蛋白链接整合素通过胞外蛋白链接 细胞骨架细胞骨架E E，生物材料表，生物材料表面可产生机械传感。弹性就可以通过与跨膜整合蛋白相关的面可产生机械传感。弹性就可以通过与跨膜整合蛋白相关的 激酶激酶F F 转导。转导。力传感力传感CellBiomaterial Cross Talk细胞细胞- -生物材料之间的联系生物材料之间的联系 CellMaterial Anchorage Mediated by Specific Molecular Recognition CellMaterial Anchorage Mediated by Sp

4、ecific Molecular Recognition 通过特定分子识别介导的细胞通过特定分子识别介导的细胞-材料锚固材料锚固 Increasing CellMaterial Anchorage by Non-Specific ProteinScaffold Interactions Increasing CellMaterial Anchorage by Non-Specific ProteinScaffold Interactions 通过非特异性蛋白通过非特异性蛋白- -支架的相互作用提高细胞支架的相互作用提高细胞- -材料锚固材料锚固 Enhancing CellMaterial A

5、nchorage by Modifying CellMatrix Morphological Interactions Enhancing CellMaterial Anchorage by Modifying CellMatrix Morphological Interactions 通过修改细胞通过修改细胞- -材料形态相互作用增强细胞材料形态相互作用增强细胞- -材料锚固材料锚固 Other General Strategies to Tie Cells to Artificial ScaffoldsOther General Strategies to Tie Cells to Art

6、ificial Scaffolds 其它使细胞连接到人工支架上的通用策略其它使细胞连接到人工支架上的通用策略基体材料工程表面官能化官能化加正电荷吸引ECM蛋白可粘性吸附细胞膜在材料表面排列支架通过膜表面配体或结合分子修饰通过特定分子识别介导有以下两种方法：有以下两种方法：通过通过细胞粘附肽细胞粘附肽进行的表面修饰进行的表面修饰通过通过细胞外基质蛋白细胞外基质蛋白进行的支架官能化提高细胞进行的支架官能化提高细胞- -材料的亲材料的亲和性和性通过细胞外基质蛋白进行的支架官能化 官能化：用化学、电化学、物理方法使物体的表面获得人官能化：用化学、电化学、物理方法使物体的表面获得人们希望的功能们希望的功

7、能。 方法：在支架外方法：在支架外涂涂一层细胞外基质蛋白或者将二者一层细胞外基质蛋白或者将二者混合混合。通过非特异性蛋白-支架的相互作用 细胞粘附可以是通过细胞粘附可以是通过非特异性蛋白非特异性蛋白吸附在支架表面介导，吸附在支架表面介导，这现象取决于它们的物理化学性质，主要是这现象取决于它们的物理化学性质，主要是表面电荷表面电荷和和湿湿润性润性。CellMaterial Anchorage Mediated by Specific Molecular Recognition CellMaterial Anchorage Mediated by Specific Molecular Recogn

8、ition 通过特定分子识别介导的细胞通过特定分子识别介导的细胞-材料锚固材料锚固Surface Functionalization with Cell Adhesive Peptides 通过细胞粘附肽进行的表面修饰通过细胞粘附肽进行的表面修饰Enhancing CellMatrix Affinity by Scaffold Functionalization with ECM Proteins 通过细胞外基质蛋白进行的支架通过细胞外基质蛋白进行的支架官能化提高细胞官能化提高细胞-材料的亲和性材料的亲和性 Increasing CellMaterial Anchorage by Non-Sp

9、ecific ProteinScaffold Interactions Increasing CellMaterial Anchorage by Non-Specific ProteinScaffold Interactions 通过非特异性通过非特异性 蛋白蛋白- -支架的相互作用提高细胞支架的相互作用提高细胞- -材料锚固材料锚固Surface Charge 表面电荷表面电荷Wettability 湿润性湿润性表面电荷 用于体外细胞培养支架，带正电的基质已被证明比带负用于体外细胞培养支架，带正电的基质已被证明比带负电荷的电荷的基质基质提高细胞粘附提高细胞粘附性性更多更多。 ( + - )(

10、 + - ) 机制似乎是与带正电的支架表面、带负电的蛋白质复合机制似乎是与带正电的支架表面、带负电的蛋白质复合物、跨膜整合蛋白和一些其他显负电的细胞外基质蛋白物、跨膜整合蛋白和一些其他显负电的细胞外基质蛋白之间的较高亲和力有关之间的较高亲和力有关。湿润性 实验结果表明，它在弱亲水性表面吸附作用增强，而在实验结果表明，它在弱亲水性表面吸附作用增强，而在强亲水性或疏水性表面经常用于避免细胞附着。强亲水性或疏水性表面经常用于避免细胞附着。 疏水疏水 强亲水强亲水RESEARCH NEWSPHPH溶胀水凝胶溶胀水凝胶改变温度改变折叠状态改变温度改变折叠状态增加正电荷增加正电荷机械拉伸解开结构域机械拉伸

11、解开结构域光反应促进光反应促进功能分子结合功能分子结合改变氧化还原电位改变氧化还原电位来改变粘附基团来改变粘附基团A New Scenario for Matrices Used in Tissue Repair: the Requirement of Spatiotemporal Functionality 一种新的用基质修复组织的方案：时空官能化研究的要求一种新的用基质修复组织的方案：时空官能化研究的要求In Vivo Spatiotemporal Modulation of Cell Attachment 细胞在体细胞在体内附着的时空调节内附着的时空调节Spatiotemporal Tu

12、ning of Cell Adhesion 细胞细胞粘附的时空调节粘附的时空调节pH-Sensitive Surfaces PH敏感表面敏感表面Thermo-Responsive Matrices 热敏感基质热敏感基质Electro-Responsive Surfaces 电敏感表面电敏感表面Mechano-Responsive Scaffolds 机械机械力敏感支架力敏感支架Photo-Responsive Materials 光敏感材料光敏感材料Redox-Responsive Surfaces 氧化还原敏感表面氧化还原敏感表面PH敏感表面 通过改变通过改变PHPH调节细胞分离调节细胞分离

13、 实验：实验：接种接种细胞细胞之后，附着，之后，附着，在在人皮肤成纤维细胞的人皮肤成纤维细胞的pHpH敏感水凝胶（敏感水凝胶（pH 7.0pH 7.0）中扩展，通过加入）中扩展，通过加入HEPESHEPES缓冲液以缓冲液以达到达到pHpH为为6.56.5将将pHpH减少，减少，3030分钟内产生细胞脱离。分钟内产生细胞脱离。热敏感基质 热敏感基质的合成是基于表面特性（润湿性）或表面形热敏感基质的合成是基于表面特性（润湿性）或表面形态（聚合物的伸长）随温度的变形，从而改变对态（聚合物的伸长）随温度的变形，从而改变对ECMECM吸附吸附模式和细胞模式和细胞 - - 基质锚固行为基质锚固行为。电敏感

14、表面 通过通过产生可调粘接表面被官能微电极与抗体，产生可调粘接表面被官能微电极与抗体，使使T T淋巴细淋巴细胞表达表面胞表达表面CD4CD4抗体。通过修改表面电位的氧化还原抗体。通过修改表面电位的氧化还原性性，抗体从材料表面释放，从而导致细胞脱离。抗体从材料表面释放，从而导致细胞脱离。机械力敏感支架 如果如果机械性响应的支架上产生机械性响应的支架上产生了了微图案化薄的微图案化薄的PDMSPDMS薄膜薄膜表示机械压缩已经完成。这些基质在压缩力的存在下可表示机械压缩已经完成。这些基质在压缩力的存在下可以引起它们的表面形貌的变化，表面粗糙度变化，从而以引起它们的表面形貌的变化，表面粗糙度变化，从而造

15、成动态基质造成动态基质在在机械刺激下的细胞定位。机械刺激下的细胞定位。光敏感材料 可以通过激光制图改变非污染材料上的细胞粘附特性，可以通过激光制图改变非污染材料上的细胞粘附特性，以重新编程细胞形态，来确定对细胞骨架的修改。以重新编程细胞形态，来确定对细胞骨架的修改。氧化还原敏感表面 活性氧（活性氧（ROSROS）可以是一种时空调节细胞附接）可以是一种时空调节细胞附接/ /拆卸到生拆卸到生物材料的替代。物材料的替代。 ROS ROS可通过官能化的金纳米粒子聚合物可通过官能化的金纳米粒子聚合物表面的激光照射来催化。活性氧分子产生表面的激光照射来催化。活性氧分子产生ECMECM蛋白介导的蛋白介导的细胞粘附，得到贴壁细胞的受控和局部释放的氧化细胞粘附，得到贴壁细胞的受控和局部释放的氧化。Conclusions and Perspectives Conclusions and Perspectives 结论与展望结论与展望介导细胞介导细胞- - 生物材料的粘附机制的全面理解生物材料的粘附机制的全面理解不仅使我们更好地了解参与生理细胞不仅使我们更好地了解参与生理细胞ECMECM锚固锚固，单细胞迁移和分化的过程，同时也为研究，单细胞迁移和分化的过程，同时也为研究组织器官修复和创面愈合过程的实验平台的组织器官