三維納米生物界面作為指導細胞命運的新平臺

屈曉宇

摘 要：細胞是人類生命活動的基本單位。任何生命活動，包括組織再生和疾病爆發，都與細胞行為密切相關。研究生物醫用材料與細胞表面和界面的相互作用是一個熱點和重要的課題。它不僅關系到醫學的發展水平，而且關系到生物材料的可靠性、安全性和耐久性。在外科學、顯微醫學、組織工程、再生醫學等領域，納米材料是不可缺少的，尤其是在某些心血管疾病的治療中，利用微納米材料實現界面是一項迫切的工作，并且具有學術意義。近年來，隨著三維納米生物技術的發展，利用靜電紡絲技術制備的聚合物納米纖維已成為一種新型的、受歡迎的生物材料。它的特點就是可以模擬細胞外基質的組成和網狀結構。這就引了新的探索和細胞命運，讓更多的研究者致力于三維納米生物界面的指導作用的研究，期望利用三種納米纖維的特殊結構來調節細胞行為，從而在醫學問題上取得巨大成就[1]。基于此，本文探討了三維納米生物界面作為指導細胞命運的新平臺。

關鍵詞：納米生物材料;靜電紡絲;納米纖維;細胞行為;表界面作用

細胞是生命最基本、最重要的單位。細胞的黏附、擴散、增殖、遷移和分化行為與生命的生長過程和疾病的發病機制密切相關。如果能夠研究細胞與生物材料之間的相互作用，那么人工控制細胞的各種行為是可行的，這對組織再生和疾病治療具有重要意義。聚合物納米纖維是目前應用最廣泛的生物材料之一。它不僅在結構上模仿細胞基質，而且具有較大的比表面積，適合于載藥。它在組織工程、再生醫學、藥物控釋等領域有著廣泛的應用。

一、研究三維納米生物界面作為指導細胞命運的重要性

細胞與細胞外基質的黏附調節著細胞的擴散、增殖和分化等多種功能，在胚胎發育、成熟組織的穩態和疾病的發病機制中起著重要作用。而利用了三維納米生物材料就可以實現細胞外基質的生理生化功能的實驗模擬[2]。合成材料在細胞行為調節中起著非常重要的作用。例如，可以精確控制水凝膠的力學性能、結構和化學成分[3]。細胞在這種光滑平坦的表面上的行為已經在中得到了廣泛的研究。在體內，細胞外基質是一種三維復雜的微納米纖維結構。顯然，水凝膠材料很難模擬[4]。聚合物納米纖維的結構與人體細胞外基質的結構完全相似，靜電紡絲法制備的納米纖維能很好地調節纖維的結構和性能。如果研究不同結構和性質的納米纖維與細胞表面的相互作用機理，不僅可以確定細胞外基質與細胞相互作用的機理，而且可以人為地控制細胞的行為（有助于深入了解和認識生命過程）。

生物材料與細胞表面界面相互作用的研究是生物材料研究與評價的重要內容。它的重要性不僅在于評價生物材料必須通過研究相應的細胞對材料的反應來實現，靜電紡絲法制備的聚合物納米纖維作為一種生物材料引起了人們的廣泛關注和研究，不同類型的細胞，其自身的表面界面性質除了共性外，還存在一定的個性，而且與癌細胞一樣，表面和界面性質都在動態變化，越來越多的研究者進入了探索領域。相信通過可控的結構和性能來探索細胞與工程納米纖維表面界面相互作用的機理將成為未來研究的熱點。當涉及材料與細胞的界面時，首先要提到細胞的表面結構和行為。本部分簡要介紹了細胞表面結構和細胞增殖、黏附（黏附）、分化和遷移（運動）的基本知識，并結合近年來發表的文獻介紹了納米纖維與細胞表面界面相互作用的最新進展。

二、三維納米材料在生物醫學上的廣泛應用價值分析

納米材料由于其獨特的物理化學性質，在生物組織工程材料、生物傳感器、藥物載體、重大惡性疾病診斷和治療等預示出強大的臨床應用前景和巨大潛力。然而，由于納米材料具有高度的非均勻性和非平衡的動態生理環境，納米材料不能完全靶向靶點，并繼續與生物系統中的分子和結構相互作用，導致表面物理化學性質的變化，進而影響到納米材料的性能它們進入細胞的方式以及它們在生物體內行為的最終命運。早在2010年，中科院的陳春英的研究小組就首次發現碳納米管進入血液系統，可以迅速吸附血液中的蛋白質，形成納米“蛋白冠”，從而降低碳納米管的生物毒性（Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2011，108，16968-16973）[5]。近年來，以中科院國際納米科學中心王浩課題組的研究備受關注，開發了“活體自組裝”技術，這個技術的特點就是在細胞內構建了一種不同拓撲網狀結構的三維納米材料，并對細胞內原位聚合和組裝的有了全新的認知和方法論，為功能設計提供了新思路納米材料。隨著納米材料在生物醫學領域得到了廣泛的研究和認可，如藥物輸送、組織工程等，使得三維納米材料其獨有的生物界面的指導價值得以充分的體現，并使得三維納米材料的傳遞效應突顯。實現了三維納米材料在生理環境中的自發構建和功能化。以往的研究指出，特定的拓撲結構在生命中起著獨特的作用，如具有雙螺旋結構的DNA、具有特定3D結構的蛋白質大分子以及各種傳遞信號的分子復合物。材料和界面的拓撲結構影響生物功能，如界面的形態可以誘導干細胞定向分化，決定細胞的遷移和內吞作用。研究了特定區域內材料的拓撲結構與生物功能的關系，以期為精細功能納米材料的設計提供指導。目前，體外構建的納米材料不能區分界面和細胞內的相互作用，干擾了對極限拓撲結構與生物功能關系的分析和理解。

王浩課題組的研究首次實現了不同拓撲結構納米材料在細胞中的并行構建，為納米材料的研究提供了一種有效的方法研究細胞質拓撲結構與功能關系的手段。其設計中把具有不同氨基酸序列的多肽單體，運用到對于細胞內聚合過程的控制中，使聚合物的分子量、溫度敏感性和拓撲結構得到干預;在細胞和組織水平上原位確定多肽單體的聚合和組裝過程。

三、不同的三維納米材料的表面形態會對細胞的行為起調控的作用

羅超等用不同濃度的聚乳酸溶液靜電紡絲制備了不同表面粗糙度的纖維。纖維表面的珠狀突起常被認為是纖維制備過程中的一個缺陷。他們的研究表明，纖維的珠狀結構不僅對細胞沒有任何毒性，而且能調節細胞的黏附和分化等行為。從體外細胞實驗和體內皮下成骨實驗結果表明，設計具有適當表面粗糙度的微納米纖維，可顯著促進干細胞的黏附和成骨分化。一些研究人員利用納米纖維的表面微觀圖案來控制細胞行為。通過使用一些特殊的靜電紡絲接收裝置，可以獲得表面具有可控微圖案的納米纖維。在一些地方，纖維更密集，有些地方相對稀疏，形成不同大小的微圖案。當細胞接種在具有這種圖案的纖維上時，在共聚焦激光掃描下觀察培養5天后的染色。從現有的研究結果來看，幾乎所有的細胞都只出現在纖維密集的地方，這是一個有趣的現象。在此基礎上，研究人員調控了細胞在纖維上特定位置的黏附和生長，從而為有序構建多細胞系統提供了可能。除了纖維的物理模式外，生化模式還可以調節細胞對特定部位的黏附，可以看出結果相似。在這方面的研究中，Jason的研究小組可以通過纖維表面與RGD的紫外反應獲得RGD分子圖案的納米纖維，界面上的細胞會選擇性地黏附在這種生化圖案上。另外在2016年，nature materials對三維納米纖維剛度對細胞黏附、擴散和遷移行為影響的深入研究。文獻中首次制備了不同剛度和硬度的納米纖維、水凝膠和膠原基質，并研究了細胞在其界面上的黏附行為[8]。結果都表明，兌于水凝膠，細胞在硬質樣品上表現出較大的面積和良好的黏附性，而對于納米纖維則相反。如前面的背景知識所述，只有良好的細胞黏附才能使細胞遷移良好。顯示了上述材料界面上細胞遷移和移動的結果。結果確實與黏附力有關。對于納米纖維，較小的剛度適合細胞遷移，且細胞遷移速度較快。軟纖維適用于電池重置其周圍環境，如將光纖向前拉。

四、結語

三維納米生物界面作為指導細胞命運的新平臺的運用在我國剛剛起步，還有許多的工作需要去完成，對于三維納米生物材料在醫學、生物界等領域的運用前景看好，并且具有極高的應用價值。

參考文獻：

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