三维纳米生物界面作为指导细胞命运的新平台

    屈晓宇

    摘 要：细胞是人类生命活动的基本单位。任何生命活动，包括组织再生和疾病爆发，都与细胞行为密切相关。研究生物医用材料与细胞表面和界面的相互作用是一个热点和重要的课题。它不仅关系到医学的发展水平，而且关系到生物材料的可靠性、安全性和耐久性。在外科学、显微医学、组织工程、再生医学等领域，纳米材料是不可缺少的，尤其是在某些心血管疾病的治疗中，利用微纳米材料实现界面是一项迫切的工作，并且具有学术意义。近年来，随着三维纳米生物技术的发展，利用静电纺丝技术制备的聚合物纳米纤维已成为一种新型的、受欢迎的生物材料。它的特点就是可以模拟细胞外基质的组成和网状结构。这就引了新的探索和细胞命运，让更多的研究者致力于三维纳米生物界面的指导作用的研究，期望利用三种纳米纤维的特殊结构来调节细胞行为，从而在医学问题上取得巨大成就[1]。基于此，本文探讨了三维纳米生物界面作为指导细胞命运的新平台。

    关键词：纳米生物材料;静电纺丝;纳米纤维;细胞行为;表界面作用

    细胞是生命最基本、最重要的单位。细胞的黏附、扩散、增殖、迁移和分化行为与生命的生长过程和疾病的发病机制密切相关。如果能够研究细胞与生物材料之间的相互作用，那么人工控制细胞的各种行为是可行的，这对组织再生和疾病治疗具有重要意义。聚合物纳米纤维是目前应用最广泛的生物材料之一。它不仅在结构上模仿细胞基质，而且具有较大的比表面积，适合于载药。它在组织工程、再生医学、药物控释等领域有着广泛的应用。

    一、研究三维纳米生物界面作为指导细胞命运的重要性

    细胞与细胞外基质的黏附调节着细胞的扩散、增殖和分化等多种功能，在胚胎发育、成熟组织的稳态和疾病的发病机制中起着重要作用。而利用了三维纳米生物材料就可以实现细胞外基质的生理生化功能的实验模拟[2]。合成材料在细胞行为调节中起着非常重要的作用。例如，可以精确控制水凝胶的力学性能、结构和化学成分[3]。细胞在这种光滑平坦的表面上的行为已经在中得到了广泛的研究。在体内，细胞外基质是一种三维复杂的微纳米纤维结构。显然，水凝胶材料很难模拟[4]。聚合物纳米纤维的结构与人体细胞外基质的结构完全相似，静电纺丝法制备的纳米纤维能很好地调节纤维的结构和性能。如果研究不同结构和性质的纳米纤维与细胞表面的相互作用机理，不仅可以确定细胞外基质与细胞相互作用的机理，而且可以人为地控制细胞的行为（有助于深入了解和认识生命过程）。

    生物材料与细胞表面界面相互作用的研究是生物材料研究与评价的重要内容。它的重要性不仅在于评价生物材料必须通过研究相应的细胞对材料的反应来实现，静电纺丝法制备的聚合物纳米纤维作为一种生物材料引起了人们的广泛关注和研究，不同类型的细胞，其自身的表面界面性质除了共性外，还存在一定的个性，而且与癌细胞一样，表面和界面性质都在动态变化，越来越多的研究者进入了探索领域。相信通过可控的结构和性能来探索细胞与工程纳米纤维表面界面相互作用的机理将成为未来研究的热点。当涉及材料与细胞的界面时，首先要提到细胞的表面结构和行为。本部分简要介绍了细胞表面结构和细胞增殖、黏附（黏附）、分化和迁移（运动）的基本知识，并结合近年来发表的文献介绍了纳米纤维与细胞表面界面相互作用的最新进展。

    二、三维纳米材料在生物医学上的广泛应用价值分析

    纳米材料由于其独特的物理化学性质，在生物组织工程材料、生物传感器、药物载体、重大恶性疾病诊断和治疗等预示出强大的临床应用前景和巨大潜力。然而，由于纳米材料具有高度的非均匀性和非平衡的动态生理环境，纳米材料不能完全靶向靶点，并继续与生物系统中的分子和结构相互作用，导致表面物理化学性质的变化，进而影响到纳米材料的性能它们进入细胞的方式以及它们在生物体内行为的最终命运。早在2010年，中科院的陈春英的研究小组就首次发现碳纳米管进入血液系统，可以迅速吸附血液中的蛋白质，形成纳米“蛋白冠”，从而降低碳纳米管的生物毒性（Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2011，108，16968-16973）[5]。近年来，以中科院国际纳米科学中心王浩课题组的研究备受关注，开发了“活体自组装”技术，这个技术的特点就是在细胞内构建了一种不同拓扑网状结构的三维纳米材料，并对细胞内原位聚合和组装的有了全新的认知和方法论，为功能设计提供了新思路纳米材料。随着纳米材料在生物医学领域得到了广泛的研究和认可，如药物输送、组织工程等，使得三维纳米材料其独有的生物界面的指导价值得以充分的体现，并使得三维纳米材料的传递效应突显。实现了三维纳米材料在生理环境中的自发构建和功能化。以往的研究指出，特定的拓扑结构在生命中起着独特的作用，如具有双螺旋结构的DNA、具有特定3D结构的蛋白质大分子以及各种传递信号的分子复合物。材料和界面的拓扑结构影响生物功能，如界面的形态可以诱导干细胞定向分化，决定细胞的迁移和內吞作用。研究了特定区域内材料的拓扑结构与生物功能的关系，以期为精细功能纳米材料的设计提供指导。目前，体外构建的纳米材料不能区分界面和细胞内的相互作用，干扰了对极限拓扑结构与生物功能关系的分析和理解。

    王浩课题组的研究首次实现了不同拓扑结构纳米材料在细胞中的并行构建，为纳米材料的研究提供了一种有效的方法研究细胞质拓扑结构与功能关系的手段。其设计中把具有不同氨基酸序列的多肽单体，运用到对于细胞内聚合过程的控制中，使聚合物的分子量、温度敏感性和拓扑结构得到干预;在细胞和组织水平上原位确定多肽单体的聚合和组装过程。

    三、不同的三维纳米材料的表面形态会对细胞的行为起调控的作用

    罗超等用不同浓度的聚乳酸溶液静电纺丝制备了不同表面粗糙度的纤维。纤维表面的珠状突起常被认为是纤维制备过程中的一个缺陷。他们的研究表明，纤维的珠状结构不仅对细胞没有任何毒性，而且能调节细胞的黏附和分化等行为。从体外细胞实验和体内皮下成骨实验结果表明，设计具有适当表面粗糙度的微纳米纤维，可显著促进干细胞的黏附和成骨分化。一些研究人员利用纳米纤维的表面微观图案来控制细胞行为。通过使用一些特殊的静电纺丝接收装置，可以获得表面具有可控微图案的纳米纤维。在一些地方，纤维更密集，有些地方相对稀疏，形成不同大小的微图案。当细胞接种在具有这种图案的纤维上时，在共聚焦激光扫描下观察培养5天后的染色。从现有的研究结果来看，几乎所有的细胞都只出现在纤维密集的地方，这是一个有趣的现象。在此基础上，研究人员调控了细胞在纤维上特定位置的黏附和生长，从而为有序构建多细胞系统提供了可能。除了纤维的物理模式外，生化模式还可以调节细胞对特定部位的黏附，可以看出结果相似。在这方面的研究中，Jason的研究小组可以通过纤维表面与RGD的紫外反应获得RGD分子图案的纳米纤维，界面上的细胞会选择性地黏附在这种生化图案上。另外在2016年，nature materials对三维纳米纤维刚度对细胞黏附、扩散和迁移行为影响的深入研究。文献中首次制备了不同刚度和硬度的纳米纤维、水凝胶和胶原基质，并研究了细胞在其界面上的黏附行为[8]。结果都表明，兑于水凝胶，细胞在硬质样品上表现出较大的面积和良好的黏附性，而对于纳米纤维则相反。如前面的背景知识所述，只有良好的细胞黏附才能使细胞迁移良好。显示了上述材料界面上细胞迁移和移动的结果。结果确实与黏附力有关。对于纳米纤维，较小的刚度适合细胞迁移，且细胞迁移速度较快。软纤维适用于电池重置其周围环境，如将光纤向前拉。

    四、結语

    三维纳米生物界面作为指导细胞命运的新平台的运用在我国刚刚起步，还有许多的工作需要去完成，对于三维纳米生物材料在医学、生物界等领域的运用前景看好，并且具有极高的应用价值。

    参考文献：

    [1]Hsu S M.Nano-lubrication：concept and design.Tribology International，2004，37（7）：537-545.

    [2]Gebeshuber I C.Biotribology inspires new technologies.NANO TODAY，2007，2（5）：30-37.

    [3]Nosonovsky M，Bhushan B.Multiscale friction mechanisms and hierarchical surfaces in nano-and bio-tribology.Materials Science and Engineering：R：Reports，2007，58（3-5）：162-193.

    [4]Li L，Zhou G，Wang Y，et al.Controlled dual delivery of BMP-2 and dexamethasone by nanoparticle-embedded electrospun nanofibers for the efficient repair of critical-sized rat calvarial defect.Biomaterials，2015，37：218-229.

    [5]Liu S，Zhao J，Ruan H，et al.Biomimetic Sheath Membrane via Electrospinning for Anti-adhesion of Repaired Tendon.Biomacromolecules，2012，13（11）：3611-3619.

    [6]Yang G，Wang J，Wang Y，et al.An Implantable Active-Targeting Micelle-in-Nanofiber Device for Efficient and Safe Cancer Therapy.ACS Nano，2015，9（2）：1161-1174.

    [7]Wang Y，Luo C，Yang G，et al.A Luteolin-Loaded Electrospun Fibrous Implantable Device for Potential Therapy of Gout Attacks.Macromolecular Bioscience，2016，16（11）：1598-1609.

    [8]Discher D E，Janmey P，Wang Y.Tissue cells feel and respond to the stiffness of their substrate.Science，2018，310（5751）：1139-1143.