诱导干细胞定域分化的图案化粘弹性水凝胶研究

通过对材料微结构和粘弹性的设计，建立体外模型来研究材料调控干细胞定域分化行为，对于研究诱导再生过程以及设计诱导再生材料具有重要的科学价值。本项目拟选用生物相容性水凝胶材料，通过对材料的交联度的设计，阐明材料微结构对粘弹性的调控规律，获得一系列化学组成相近但粘弹性不同的水凝胶材料。研究材料的粘弹性调控骨髓间充质干细胞特异性分化的行为，阐明材料粘弹性能对干细胞分化的调控规律。根据所获得的结果和规律，利用图案化的技术设计并制备粘弹性各向异性的水凝胶材料，原位表征材料的粘弹性。考察该图案化材料诱导干细胞定域向神经细胞和成肌细胞分化的能力，获得神经细胞和成肌细胞的组合体。研究所获得的神经细胞与成肌细胞的组合体中，神经细胞的信号传导能力和调控成肌细胞对刺激响应的行为。

(1) 要利用材料调控干细胞定域分化，必须首先明确材料学因素对干细胞分化行为的调控规律，尤其是多种因素的协同作用。制备了模量和阿仑膦酸钠（一种成骨诱导因子）密度均可调节的明胶水凝胶材料，用于考察物理和化学因素对干细胞分化的协同和对抗作用。发现提高水凝胶的硬度和增加其上的阿仑膦酸钠均有利于材料调控骨髓间充质干细胞的成骨分化。当物理和化学因素互相对抗时，对干细胞分化的影响依赖于阿仑膦酸钠分子的浓度：其浓度较低时，模量的影响较大；其浓度较高时，化学分子的影响较大。(2) 制备了阿仑膦酸钠密度梯度表面，并研究了骨髓间充质干细胞在梯度表面不同密度阿仑膦酸钠位置的粘附、生长和分化行为。发现干细胞仅在具有高密度阿仑膦酸钠的位置向骨细胞分化，初步实现了其定域分化行为的调控。(3) 研究了微粒材料进入细胞内部后对细胞分化行为的影响。发现骨髓间充质干细胞吞噬PLGA微粒后，增殖能力有所下降，干细胞表达成骨相关基因和蛋白的能力增强，且表达成脂相关基因和蛋白的能力下降。这一结果说明内吞PLGA微粒可促进干细胞成骨分化，同时抑制其成脂分化。(4) 发表SCI收录论文8篇，其中影响因子大于3.0的6篇；国际会议邀请报告1次，国际会议口头报告4次；申请国家发明专利2项。(5) 培养博士和硕士研究生各1人。(6) 与西班牙生物材料研究所、德国莱比锡大学、美国匹兹堡大学等开展了广泛的国际合作与交流。