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  細胞的動態(tài)調(diào)控對組織工程與再生醫(yī)學(xué)意義重大。細胞外基質(zhì)（ECM）的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在為細胞提供結(jié)構(gòu)和力學(xué)支持的同時，也為細胞的粘附和遷移提供了三維微環(huán)境。細胞外基質(zhì)的仿生構(gòu)建是組織工程支架設(shè)計與制造的重點也是難點之一。大量的研究表明，聚合物納米纖維可以在一定程度上仿生ECM中膠原纖維的結(jié)構(gòu)特征，這表明，基于此結(jié)構(gòu)的組織工程支架所提供的物理微環(huán)境，將對細胞的粘附和遷移具有重要意義。然而，在膠原纖維表面存在的膠原蛋白分子螺旋錯落排列形成的“D周期”結(jié)構(gòu)卻很少被關(guān)注到，即周期約為67nm的拓撲結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有研究方法所制備的聚合物納米纖維的表面大多為光滑表面，并無特別的拓撲結(jié)構(gòu)。因此，如何構(gòu)建更為擬實的ECM仿生結(jié)構(gòu)，是本領(lǐng)域亟待解決的重要問題之一。而聚合物納米纖維表面結(jié)構(gòu)調(diào)控則是組織工程支架仿生制備的重要保障。

  鄭州大學(xué)李倩教授課題組通過對聚己內(nèi)酯（PCL）靜電紡絲納米纖維自誘導(dǎo)結(jié)晶處理后獲得了周期性排列的串晶結(jié)構(gòu)，即通過納米纖維誘導(dǎo)PCL分子鏈附生結(jié)晶形成雜化串晶結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)均布于納米纖維表面，與膠原纖維表表面的“D周期”拓撲形貌極為相似。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)串晶尺寸大小與PCL稀溶液的濃度呈近似線性關(guān)系，這表明通過控制結(jié)晶條件，可以調(diào)控串晶的晶片尺寸（見圖1），從而為膠原纖維表面拓撲的仿生構(gòu)建提供了途徑。

圖1. 帶有串晶的纖維形貌及結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計。隨著PCL溶液濃度的增加，纖維表面的串晶結(jié)構(gòu)愈加明顯，測量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，纖維表面粗糙度明顯上升，串晶晶片尺寸逐漸增加并呈現(xiàn)近似線性分布

  串晶結(jié)構(gòu)的存在，進一步改變了纖維支架的局部微環(huán)境。通過串晶結(jié)構(gòu)與纖維各參數(shù)的調(diào)控，獲得了較為理想的平行取向纖維支架結(jié)構(gòu)。對于帶有串晶的纖維支架來說，隨著PCL稀溶液濃度的增加，形成的串晶尺寸增加，纖維之間物理連接加強，纖維的拉伸模量，斷裂伸長率和表面剛度增加，即串晶的形成在空間距離較近的纖維之間形成了物理交聯(lián)點的作用。同時，纖維支架表面的親水性也得到了改善，為細胞的更好地黏附提供了條件。（如圖2所示）

圖2. （A）纖維膜拉伸模量；（B）纖維膜斷裂伸長率；（C）纖維膜表面楊氏模量；（D）纖維膜水接觸角。

  類似“D周期”的串晶結(jié)構(gòu)對內(nèi)皮細胞的生長產(chǎn)生了顯著影響。細胞增殖實驗表明，細胞在具有較大串晶尺寸的材料表面增殖速度更快，且隨著時間的增加增殖差異越來越明顯（如圖3A）。同時，細胞的形狀及粘附行為也受到影響。隨著串晶尺寸的增加，細胞的核型指數(shù)逐漸增大（如圖3B），黏著斑的平均激光強度明顯提高（如圖2C），與此同時，黏著斑的極性分布也更加顯著（如圖3D），從而促進了細胞遷移。

圖3. （A）細胞增殖實驗；（B）細胞核型指數(shù)；（C）細胞黏著斑平均激光強度；（D）細胞黏著斑橫軸方向與縱軸方向激光強度之比

  通過對細胞遷移行為的實時動態(tài)觀測發(fā)現(xiàn)，細胞在遷移過程中呈現(xiàn)出規(guī)律的形態(tài)變化（如圖4A），遷移速度受到細胞外微環(huán)境改變的影響逐漸增加（圖4B），細胞遷移軌跡也在取向纖維的“約束”下呈現(xiàn)明顯的方向性（圖4C-F）。實驗結(jié)果表明，通過串晶結(jié)構(gòu)仿生構(gòu)建的類“D周期”結(jié)構(gòu)對內(nèi)皮細胞遷移行為具有顯著影響。

圖4. （A）細胞遷移過程中的形態(tài)變化（比例尺為100 μm）；（B）細胞遷移速度；細胞遷移軌跡：（C）SK0，（D）SK05，（E）SK10，（F）SK50

  該工作基于聚合物納米纖維誘導(dǎo)串晶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了膠原纖維表面拓撲結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)建，首次關(guān)注了納米纖維表面形貌對內(nèi)皮細胞遷移行為的影響，為組織工程支架材料的設(shè)計與制備、細胞遷移行為相關(guān)的生物學(xué)、醫(yī)學(xué)研究提供了新的切入點和理論指導(dǎo)。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Biomacromolecules（Biomacromolecules. 2020, DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01638）上。論文的第一作者為鄭州大學(xué)微納成型技術(shù)國際級國際聯(lián)合研究中心碩士研究生郭欣，通訊作者為王小峰博士和李倩教授。該研究成果得到了國家國際科技合作專項、河南省“111”引智基地項目、河南省科技攻關(guān)項目的支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.9b01638