基于水凝胶的细胞力学微环境构建及在肌肉组织工程中的应用

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1、博士学位论文基于水凝胶的细胞力学微环境构建及在肌肉组织工程中的应用学位申请人：李昱辉指导教师：徐峰教授学科名称：生物医学工程2016年4月EngineeringofCellMechanicalMicroenvironmentUsingHydrogelsandTheirApplicationsforMuscleTissueRegenerationAdissertationsubmittedtoXi’anJiaotongUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsf

2、orthedegreeofDoctorofEngineeringScienceByYuhuiLiSupervisor:Prof.FengXu(BiomedicalEngineering)April2016摘要论文题目：基于水凝胶的细胞力学微环境构建及在肌肉组织工程中的应用学科名称：生物医学工程学位申请人：李昱辉指导教师：徐峰教授摘要在体细胞处于复杂的微环境中，微环境的动态平衡是维系细胞正常行为功能的重要条件。越来越多研究表明力学刺激信号广泛存在于细胞微环境中，对细胞行为起重要调控作用。深入开展细胞生物力学微环境

3、的多学科交叉研究，对阐明力学刺激信号与机体发育、生长、疾病的发生发展等生命活动间的相互作用具有重要意义，目前已成为国内外力学、材料学、化学、生物医学等领域所研究的热点。水凝胶因其具有高保水性、物化性能可控、与细胞外基质结构相似、生物相容性好等特点，可作为模拟细胞微环境的基质材料。本文结合实验和有限元分析，系统开展了基于水凝胶的细胞力学微环境构建、表征及应用研究。本文以水凝胶为研究对象，从建立表征水凝胶力学特性的实验系统为出发点。提出了基于磁力的，非接触式力学测试（加载）系统的实验模型。通过给水凝胶样品添加包含有

4、磁性微珠的“磁性端”，结合有限元分析，设计优化外加磁场强度及梯度，实现对凝胶样品力学性能的测试。磁力测试系统克服了传统力学测试方法对水凝胶加载难、加载过程易造成样品破坏等技术瓶颈。采用该系统对力学性能较好的聚丙烯酰胺水凝胶和离体组织等生物材料进行刚度特性测试，并与Bose力学测试机的测试结果作对比，验证平台准确性。随后对难于加载的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝胶和明胶甲基丙烯酸酯水凝胶进行力学性能测试，并采用该系统初步研究了细胞重塑对明胶甲基丙烯酸酯水凝胶力学特性的影响，结果显示培养两周后，包裹有细胞的水凝胶刚度特

5、性相比于对照组显著增强，与细胞大量分泌细胞外基质并重塑其微环境相关。该力学测试（加载）系统的建立为后续细胞力学微环境的构建及表征提供了理论基础和实验*手段。针对细胞力学微环境的体外构建研究，本文主要采用聚丙烯酰胺和明胶甲基丙烯酸酯两种水凝胶作为基质材料，分别构建细胞刚度微环境和应力/应变微环境。结合实验和有限元分析，表征了凝胶在外载荷作用下的变形行为。系统研究了在不同维度下，基质刚度和应力/应变刺激对细胞行为的调控规律。结果表明在二维微环境中，随着基质刚度的增加（2kPa、10kPa、30kpa和60kpa），

6、细胞活性、增殖及粘附铺展能力显著增强；而在三维微环境中（2kPa、6kPa、10kpa和20kpa），基质刚度与细胞活性功能呈反相关，而拉伸应变刺激（10%~100%）会显著促进细胞铺展、增殖、排列行为。本研究得到国家自然科学基金（编号：11372243，11522219，11532009），国家自然科学基金国际(地区)合作交流项目（11120101002），国家国际科技合作专项（2013DFG02930）等资助。I西安交通大学博士学位论文当应变增加至一定范围时(>120%)，细胞出现早期凋亡甚至坏死。通过设计

7、水凝胶的形状实现了梯度应力/应变微环境的体外构建，对凝胶表面应力/应变梯度分布进行实验表征，研究了梯度应力/应变刺激对细胞排列的影响，结果表明当凝胶表面应变在17.0±0.5%~19.7±1.0%范围时，细胞排列基本垂直于最大主应变方向；随着应变的降低（15.4±0.4%~13.5±0.7%），细胞排列逐渐平行于拉伸方向。为进一步验证细胞力学微环境对细胞行为的作用机制，本文通过体外构建刚度微环境，初步研究了基质刚度对心肌纤维化过程的影响。通过调控基质刚度成功制备心肌纤维化疾病模型，初步揭示了基质刚度对心肌成纤维

8、细胞向心肌肌成纤维细胞表型转化的调控机制。结果表明基质刚度的增大会通过上调细胞膜受体AT1R进而增加对促纤维化分子TGF-β1的表达，进一步磷酸化Smad2，上调肌成纤维细胞标志物α-SMA，促进肌成纤维细胞表型转化过程，同时发现人脂肪干细胞可以通过旁分泌因子HGF抑制AT1R和上调Smad7，阻止α-SMA的过表达，达到抑制心肌肌成纤维细胞表型转化的目的，为揭示心肌纤维化的病理机理提