仿细胞外基质丝蛋白多孔支架对干细胞行为的调控机制研究

The interaction between biomaterials and cells is a core issue in the field of regenerative medicine. Based on the study of silk self-assembly mechanism, we will continue to regulate the mechanical properties of silk materials through controlling silk self assembly process and investigate the effects of mechanical properties of silk biomaterial on stem cell differentation. To develop bionic nano-fibrous silk scaffolds/gels that simulate the mechanical properties of dermal tissue, and then further simulate the dermal tissue microenviroments, we will combine silk self-assembly controlling methods with different scaffolds/gels preparation technologies to regulate the nanostructures as well as crystal compositions of silk fibroin. Further researches will focus on investigating the inner-connection between 3D silk protein based gels/scaffolds with mechanical properties and behaviors of stem cells to elucidate the mechanism that the mechanical properties of silk materials regulate and induce the differentation of stem cell, which would provide guidence for designing bioactive 3D silk protein based gels/scaffolds for different tissues regeneration. Furthermore, the program will achieve some critical findings about the relation between biomaterials and cells, which would promote the development of regeneration medicine in China.

生物材料同细胞的相互作用是再生医学领域的核心问题。本项研究在丝蛋白纳米自组装调控机制研究基础上，继续丝蛋白力学性能调控的研究，构建具有不同二级结构组成的丝蛋白纳米纤维结构单元，将受控自组装调控纳米结构单元同多孔支架和凝胶制备技术结合，发展可模拟体内真皮组织力学特性的仿生纳米纤维化丝蛋白多孔支架和凝胶，建立能够模拟上述组织微环境的丝蛋白基三维材料体系。以上述体系为基础，对具有真皮组织力学特性的丝蛋白三维支架/凝胶和干细胞行为的内在关系进行研究，从细胞和分子水平，阐明丝蛋白组织工程支架力学性能调控诱导干细胞定向分化的内在机制，为应用于真皮组织再生的丝蛋白功能化三维支架和凝胶的优化设计提供指导，对再生医学的发展将起到重要的推进作用。

在丝蛋白纳米自组装调控机制研究基础上，继续丝蛋白力学性能调控的研究，构建具有不同二级结构组成的丝蛋白纳米纤维结构单元，将受控自组装调控纳米结构单元与多孔支架制备技术结合，发展可模拟体内真皮组织和肌肉组织细胞外基质力学特性的仿生纳米纤维化丝蛋白多孔支架。一方面通过调节丝蛋白纳米纤维溶液的pH值（约4.2），实现对溶液状态下电荷相互作用的调控，结合冷冻干燥法，成功获得结晶度低、稳定性好、生物相容性好且模量（约6 kPa）范围适宜诱导大鼠骨髓间充质干细胞分化为内皮细胞的丝蛋白支架材料。另一方面，通过对丝蛋白溶液进行快速和缓慢浓缩，结合对丝蛋白纳米纤维溶液pH值的调节（约4.2），采用盐析法，成功获得亲水性好、生物相容性好且模量（约12 kPa）范围适宜诱导大鼠骨髓间充质干细胞分化为成肌细胞的丝蛋白支架材料，为应用于真皮组织、肌肉组织再生的丝蛋白功能化三维支架的优化设计提供指导。此外，在丝蛋白纳米自组装理论基础上，制备出可触变性丝蛋白纳米纤维水凝胶药物加载体系。同时，以丝蛋白纳米颗粒为模板，调控碳酸钙生物矿化过程，制备出具有不同药物控释行为的碳酸钙微球，阐明了丝蛋白纳米材料在药物控释领域的应用潜力。