手性纳米纤维调控细胞三维粘附的研究

Chirality has great influence on maintaining normal functions for living cells in three dimension (3D) matrix. In study of chiral structures regulating 3D cell adhesion, proliferation, and differentiation will be very important for directing the design of novel biomimetic cell culture scaffolds. Herein, based on symmetric structure and designable property from 1,4-benyl-dicarbonxamide (C2) based supramolecular gelators, chiral molecules are introduced in the gelators. Nanofibrous 3D structures with chirality are constructed through the same physical interactions between the gelators. Taking advantage of easy functionalization of the self-assembly congregates, the 3D structures with the synergic interaction of chirality and mechanics, the synergic interaction of chirality and chemical composition will be constructed. The regulated cell adhesion and proliferation by chiral nanofibers, the synergic interaction between chirality and mechanics, and the synergic interaction between chirality and chemical composition will be investigated, respectively. Fibrinection (FN) is employed to study the dynamic interaction between FN and nanofibers for exploring the interaction essence and the important mediation role of FN. All these stress the crucial role of nanfibers’ chirality on controlling cell adhesion and proliferation behaviors in 3D. These results provide the theoretical and experimental basis for developing 3D biomimetic microstructures with chirality in the future.

手性特征对保持组织细胞在三维结构中的正常功能起到了决定作用，研究手性调控细胞三维粘附、生长的机理,对开发仿生组织工程材料有着重要指导意义。本项目基于C2对称（如1,4环己烷二甲酸）超分子凝胶因子结构高度对称和模块可设计的特点，引入手性分子基团，利用凝胶因子之间恒定的物理相互作用，制备具有手性特征的纳米纤维三维结构。得益于自组装体可功能化的优点，构建手性与力学强度、手性与化学组份（如自由能）等协同的三维微纳米结构。研究手性纳米纤维、手性纳米纤维与力学强度协同、手性纳米纤维与化学组份协同下的细胞粘附、生长机理，探索细胞膜基质蛋白（如纤连蛋白）与手性纳米纤维的动态相互作用和其介导细胞粘附的本质，揭示手性纳米纤维调控细胞三维粘附、生长的本质，为构建具有手性特征的仿生三维微纳米环境提供理论及实验依据。

手性是天然生物材料的基本特征之一，人体软组织或硬组织细胞外生存微环境是由具有手性结构的生物材料或大分子所组成，它们对维持人体正常生理功能非常关键。构建具有仿生细胞外微环境的生物材料在再生医学、组织工程修复领域有着非常重要的基础及应用研究价值。基于此，本项目提出了通过可控自组装构建具有手性特征的三维结构水凝胶，研究细胞在手性纳米纤维环境中的粘附、生长行为及本质。项目主持人提出和发展了基于“三明治”结构（C2对称）分子的新一代水凝胶体系设计思路，通过分子内链段的有序排列实现了分子间多重有序相互作用，避免了分子间由于无序排列导致的手性消失，解决了手性特征从分子水平向微米组装体水平传递的问题。借助于手性超分子基元之间的弱物理相互作用及分子高度有序自组装的特点，我们发展了系列具有相同骨架结构、不同化学组分的水凝胶基元。通过金属离子配位作用、改变溶剂pH值、共组装等方式，实现了手性与力学强度、手性与化学组份的协同和功能可控。通过研究手性三维仿生微环境中细胞的行为，发现了左旋结构水凝胶可以促进细胞粘附生长，而右旋抑制的规律，二者细胞生长量差别可达260%。同时发现，手性结构也是决定干细胞命运的重要因素之一，左旋结构利于骨髓间充质干细胞向成骨分化，而右旋则利于成脂分化，这一过程与纤维连接蛋白和手性基质相互作用激活Itgα5β1信号传导继而介导干细胞命运选择有关。研究结果揭示了手性特征能够调控干细胞命运选择实现精确的再生反应，这对于理解生命起源中细胞命运确定的机制至关重要。本项目共发表标注本基金项目的SCI 收录论文28篇，其中影响因子大于10的论文包括Angew. Chem. Int. Ed. 3篇, Adv. Mater. 1篇, ACS Nano 1篇，Mater. Horiz. 1篇; 培养了多名超分子水凝胶研究方面的优秀人才，包括5名优秀的博士和6名硕士; 参加国际、国内学术会议并做主题或邀请报告10余次。邀请国际著名专家包括Holger Schönherr、Tamaki Nakano等学术互访，并展开了良好的国际合作。