丝蛋白三维微纳结构的构建及其对细胞生长和分化的作用

生物材料在三维尺度下微纳结构的构建及其对细胞行为和组织修复的调控是组织工程领域的核心问题之一，亟待研究和解决。本课题在深化丝蛋白自组装调控机制研究的同时，可控制备不同尺寸的丝蛋白纳米球和纳米线。以不同纳米形态的丝蛋白为基础单元，结合组织工程多孔支架制备技术和纳米粒子受控自组装技术，进一步构建包括仿细胞外基质纳米纤维结构在内的，具备不同三维微纳结构的丝蛋白多孔支架，并研究干细胞在不同三维微纳环境下的诱导分化行为，以及不同功能性细胞在可控三维微纳环境下的生长、增殖、迁移等行为，探索在三维尺度下丝蛋白微纳结构对细胞行为的控制机制。本课题以丝蛋白自组装的理论研究为出发点，实现丝蛋白分级结构构建的同时，研究材料同细胞行为相互作用这一组织工程学基本科学问题，不仅对用于特定组织修复的功能性丝蛋白材料的构建提供理论支持，同时也对其它生物材料的设计具有借鉴意义，有望在理论和应用领域获得一系列创新性成果。

随着对材料和细胞相互作用机制研究的不断深入，生物材料在三维尺度下的微纳结构对细胞行为的影响已经成为组织再生和修复领域的关键问题。丝蛋白由于其优异的生物相容性，力学性能以及可降解性，在组织工程和再生医学领域日益受到重视和关注，并在不同组织修复的研究中均表现出良好的前景。然而，如何调控丝蛋白在三维尺度的微纳结构，进而实现对细胞行为的调控，以提高其对特定组织的修复性能一直缺乏相应的研究。本课题从丝蛋白自组装机制出发，提出了溶液体系下丝蛋白纳米结构和二级构象变化的动力学机制，优化了影响丝蛋白自组装的关键调控因素。根据所提出的机制，通过调控自组装过程成功制备具有不同构象的丝蛋白纳米纤维，进而阐明了丝蛋白纳米结构同多孔海绵材料成型性的关系，为制备具有特定微纳结构的丝蛋白多孔海绵材料提供方法指导。以丝蛋白纳米纤维为基元和诱导剂，结合丝蛋白自组装过程中的构象调控，采用不同方法成功制备出具有纳米纤维-微孔多级结构的丝蛋白海绵和凝胶，实现了对丝蛋白材料在三维尺度下微纳结构的可控构建。在此基础上进一步控制丝蛋白的组成，在调控丝蛋白微纳结构的同时，实现了丝蛋白纳米纤维取向凝胶的制备以及对多孔海绵材料力学性能的设计和控制，以进一步满足不同组织对材料的要求。在实现对材料多层面结构和功能设计的同时，研究了其对细胞增殖、分化等行为的影响。研究结果表明，随着丝蛋白纳米纤维的形成，不同细胞在丝蛋白材料上的细胞相容性显著提高，具有更好的生长和增殖能力。通过改变材料的力学性能，细胞表现出不同的分化行为，实现了对细胞特定分化方向的诱导，其中包括诱导干细胞向内皮细胞分化，提高其血管长入能力的丝蛋白多孔海绵；诱导神经干细胞向神经元分化，同时抑制其向胶质细胞分化的丝蛋白纳米纤维凝胶；诱导干细胞向成肌细胞分化的多孔海绵以及特异性诱导干细胞向成骨细胞分化的丝蛋白基生物材料等。上述的研究表明，通过对丝蛋白结构和性能的可控设计，成功制备出一系列微纳结构和力学性能可控的丝蛋白材料，实现了丝蛋白从生物惰性材料向生物活性材料的转变，使丝蛋白有希望能够特异性的诱导不同组织的功能性修复，不仅为不同组织的修复提供了更好的基质材料，同时也为丝蛋白生物材料的发展提供了新的思路和方向。