完结2018文献精读春季班骨科-材料工程gk2

1、未名ENSIVEREADING骨科研究方向组织工程/材料工程骨组织工程三要素：细胞、细胞因子和生物材料；1.2.3.4.细胞：ESC, MSC, UCBSC, DSC等；细胞因子：BMP, TGF-, IGF, FGF, PDGF；生物材料：医用生物陶瓷材料、医用高分子材料、医用复合材料、纳米人工骨等5.机制：骨再生（料）细胞）、骨诱导（细胞因子）、骨传导（生物材6.智能材料：具备承载能力和感知、处理内外部信息的新型材料，可自变形、自、自适应、自修复，新兴交叉学科，国际热点；7.分类：感知材料和执行器。 第 9 讲 聚吡咯、电化学开关、纳米管/纳米柱阵列、干细胞分化、智能表面 1 文献背景研究

2、背景：主流研究认为控制干细胞命运有三种方法化学诱导法，遗传重编程和以材料为基础的仿生微环境；仿生微环境领域的绝大部分材料是通过化学组份、拓扑结构和刚度等静态特征模拟调节干细胞分化；在体内，干细胞分化细胞外基质在不同分化阶段是动态变化的，因此，静态模拟是不够的。 1 文献背景研究背景：目前，已经有多项动态固相生物界面材料调节细胞学行为的研究；但这些材料并不像天然的干细胞微环境一样能实现物理、化学等刺激的可逆性调节；之前研究的材料干预作用多在微米级以上的级别；但在天然的体内干细胞动态微环境中，细胞调控因子多是在纳米级别进行的；建立一个人工的、可逆调节的、纳米生物界面来调节干细胞分化更能有效地模拟体

3、内细胞微环境。 1 文献背景科学假设：构建了一种具有电化学转换功能的聚吡咯微阵列，可通过提供纳米级别的动态刺激来操控干细胞成骨向分化命运。采用无模板电化学聚合技术构建聚吡咯阵列电化学的氧化还原反应聚吡咯阵列中纳米管和纳米柱可逆性转变高黏附性疏水态到低黏附性亲水态的可逆转变对干细胞形成了动态黏附和脱离的刺激MSC骨向分化 2 结果总览Fig.3 纳米管/纳米柱的可逆性转换使得MSC在纳米层面实现黏附和脱离Fig.4高黏附疏水态纳米管和低黏附亲水态纳米柱间的转化在MSC动态吸附和脱离时发挥作用Fig.1 电化学驱动的聚吡咯阵列中纳米管/纳米柱转换调节了干细胞分化命运Fig.2 纳米管和纳米柱的可逆

4、性转换及MSC成骨分化的循环依赖效应Fig.5 MSCs动态黏附和分离通过力学传导活化了骨向分化的结构和分子信号 3 数据解构电化学聚合反应方法构建以钛为基底的聚吡咯纳米管阵列Fig.1 电化学驱动的聚吡咯阵列中纳米管/纳米柱转换调节了干细胞分化命运选择0.5V/-0.8V进行5个循环的氧化还原反应循环MSC表面黏附和脱离的多次刺激，最终诱导MSC分化为成骨细胞 3 数据解构FE-SEM显示聚吡咯阵列在氧化态呈现纳米管形态，顶端可见中空内隙，顶部尺寸为244 nm；纳米管内径加速了黏着斑形成并增加了细胞活性；Fig.1 电化学驱动的聚吡咯阵列中纳米管/纳米柱转换调节了干细胞分化命运聚吡咯阵列在

5、氧化态呈现纳米柱形态，不可见中空内隙；纳米管和纳米柱呈现相似的随机排列。 3 数据解构AFM再次确认了聚吡咯阵列中纳米管和纳米柱之间可发生可逆性形态转换机制：离子和脱离引起了聚吡咯阵列体积膨胀和收缩，从而导致了Fig.2 纳米管和纳米柱的可逆性转换及MSC成骨分化的循环依赖效应纳米管和纳米柱的形态转换 3 数据解构方法：MSC培养在Ppy上，进行不同次数的纳米管/纳米柱可逆转换，7d后检测Fig.2 纳米管和纳米柱的可逆性转换及MSC成骨分化的循环依赖效应MSC的BMP2和BSP的荧光强度与纳米管/纳米柱可逆转换次数密切相关 3 数据解构Ppy纳米管形态时所培养的MSC其BMP2和BSP荧光强

6、度最强纳米柱形态或平板形态的Ppy对MSC的骨向分化刺激要弱得多BMP2和BSP荧光强度三个循环时呈线性增长Fig.2 纳米管和纳米柱的可逆性转换及MSC成骨分化的循环依赖效应在4、5循环时出现显著下降，这可能与过度刺激导致细胞材料发生分离相关 3 数据解构FA存在于细胞-材料界面处，是细胞生存、增殖和分化信号传递的起始点细胞伪足黏附在纳米管的顶部和侧边，其相应的细胞也可伸展的面积更大伪足仅能部分黏附在纳米柱上，其细胞伸展面积也相应变小Fig.3 纳米管/纳米柱的可逆性转换使得MSC在纳米层面实现黏附和脱离极少有伪足黏附在Ppy平板上，其细胞伸展面积要小得多 3 数据解构在纳米管状态时，FA荧

7、光强度要显著强于纳米柱状态时Fig.3 纳米管/纳米柱的可逆性转换使得MSC在纳米层面实现黏附和脱离平板Ppy上MSC形成的FA荧光强度非常低 3 数据解构无论在何种处理下，FA总面积与细胞分布面积存在显著正相关在纳米管状态下，每个细胞FA面积显著高于纳米柱状态时Ppy阵列形成的单个细胞FA面积远大于平板Ppy纳米管阵列为FA提供了的锚定位点，更有利于细胞黏附Fig.3 纳米管/纳米柱的可逆性转换使得MSC在纳米层面实现黏附和脱离 3 数据解构Ppy阵列水接触角实验Fig.4高黏附疏水态纳米管和低黏附亲水态纳米柱间的转化在 MSC动态吸附和脱离时发挥作用氧化还原反应时， Ppy阵列接触角变化比

8、Ppy平板大的多疏水态纳米管和亲水态纳米柱之间的动态转化或许为细胞材料相互作用动态变化提供了基础 3 数据解构磷脂滴来模拟细胞模型进行细胞与材料黏附力测定脂滴与纳米管黏附力显著高于脂滴与纳米柱的黏附力Fig.4高黏附疏水态纳米管和低黏附亲水态纳米柱间的转化在 MSC动态吸附和脱离时发挥作用纳米管和纳米柱的转换导致了Ppy阵列和细胞膜成份在水中黏附力的变化，进而调节了细胞材料表面相互作用 3 数据解构随着细胞黏附/脱离循环次数的增加，胞内肌动蛋白丝的含量显著上升随着循环数的增加，Ppy阵列所展示的细胞面积较Ppy平板显著增加MSC循环黏附和脱离促进了细胞骨架的重拍和细胞面积增大Fig.5 MSCs动态黏附和分离通过力学传导活化了骨向分化的结构和分子信号 3 数据解构YAP：胞外向胞内进行力学转导蛋白，RUNX2：骨向分化起始蛋白Fig.5 MSCs动态黏附和分离通过力学传导活化了骨向分化的结构和分子信号随着循环数的增加，YAP/RUNX2蛋白核转位明显增加 3 数据解构纳米管/纳米柱转化，毛细吸附力变化，MSC FA数量变化，MSC与材料发生动态黏附和脱离MSC细胞面积增大，细胞骨架重排并增多，激活YAP/RUNX2蛋白并促进其入核发挥MSC成骨分化的作用Fig.5 MSCs动态黏附和分离通过力学传导活化了骨向分化的结构和分子信号 4 亮点套路分析生物学现象机制探索（）材料