表面形貌梯度和表面化学共同调控细胞行为及相关机理

The surface properties, such as surface topography and surface chemistry, have significant influence on cell behaviors. For scaffolds used in bone tissue engineering and orthopaedic implants, it is important to have such surface property which can promote osteogenic differentiation of stem cells. In this project, different surface topography gradients and surface chemical states are generated by plasma polymerization. The synergistic regulation of surface topography gradient and surface chemistry on cell behavior and the related mechanisms are studied. The co-effect of surface topography gradient and surface chemistry on the cell attachment, morphology, migration on bone marrow mesenchymal stem cells, as well as the osteogenic/adipogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells and the involved pathway are investigated in vitro. Considering the complex cell microenvironment, the co-effect of surface topography and surface chemistry on cell behavior will provide results which are more close to cell fate in vivo compared to the single effect of one factor. One the other hand, plasma polymerization can be applied as a method of surface modification of scaffolds used in bone tissue engineering and orthopaedic implants. The results achieved in the project will provide theoretic foundation and reference for the application of plasma polymerization as surface modifacation.

生物材料的表面性质，如表面形貌和表面化学均会对细胞行为产生重要影响。对于骨组织工程支架和骨科植入物，希望其能促进干细胞的成骨分化。本项目拟通过等离子体聚合的方法构建表面形貌梯度和不同的表面化学状态，并研究其共同对细胞行为的影响及其相关机理。研究表面形貌和表面化学共同对骨髓间充质干细胞的贴附、形貌、迁移的影响及其相关机理；研究表面形貌和表面化学共同对骨髓间充质干细胞成骨/成脂分化的影响及其可能涉及的信号通路。本项目的研究意义在于：从理论层面，表面形貌和表面化学性质共同影响细胞行为更为接近细胞真实微环境，得出的影响规律也更为可靠；从实际应用层面，采用的等离子体聚合方法是一种可以实际用作骨组织工程支架/骨科植入物的表面改性方法，该项目取得的研究结果可以直接为骨组织工程支架/骨科植入物的表面改性提供理论支持和参考。

材料的表面形貌和表面化学性质是影响细胞行为的两个重要因素，以往的研究往往仅关注其中的一个因素对细胞行为的影响规律，而且所采用的表面改性手段仅适合于理论模型研究，难以直接应用于骨组织工程支架/骨科植入物的表面改性。基于此，本篇研究内容拟采用等离子体聚合的方法构建具有不同表面形貌梯度和表面化学性质的表面，用以研究其对细胞行为的影响。其研究意义在于：1）从理论层面，梯度表面可以用来研究同一批细胞在同一基底上的行为变化，更适合机理研究，而表面形貌和表面化学性质共同影响细胞行为也更为接近细胞真实微环境，得出的影响规律也更为可靠；2）从实际应用层面，采用的等离子体聚合方法是一种可以实际用作骨组织工程支架/骨科植入物的表面改性方法，取得的研究结果可以直接为骨组织工程支架/骨科植入物的表面改性提供理论支持和参考。.在本项目中，采用等离子体聚合的方法，构建了具有不同表面形貌梯度和表面化学的基底，并研究了其对细胞的初始粘附、铺展和成骨分化的共同影响。本研究中所采用的表面形貌梯度对细胞的初始粘附和铺展影响比表面化学更为显著。而对于细胞成骨分化，表面形貌和表面化学具有协同影响作用。本研究工作证明了等离子体聚合在构建可控的表面形貌和表面化学的可行性，不仅可以用来研究两者对细胞行为的共同影响，也可以用作骨组织工程支架/骨科植入物的表面改性方法。