郑州大学李倩教授课题组：基于自诱导串晶结构的聚己内酯纳米纤维表面拓扑调控对内皮细胞迁移行为的影响
细胞的动态调控对组织工程与再生医学意义重大。细胞外基质（ECM）的网状结构在为细胞提供结构和力学支持的同时，也为细胞的粘附和迁移提供了三维微环境。细胞外基质的仿生构建是组织工程支架设计与制造的重点也是难点之一。大量的研究表明，聚合物纳米纤维可以在一定程度上仿生ECM中胶原纤维的结构特征，这表明，基于此结构的组织工程支架所提供的物理微环境，将对细胞的粘附和迁移具有重要意义。然而，在胶原纤维表面存在的胶原蛋白分子螺旋错落排列形成的“D周期”结构却很少被关注到，即周期约为67nm的拓扑结构，现有研究方法所制备的聚合物纳米纤维的表面大多为光滑表面，并无特别的拓扑结构。因此，如何构建更为拟实的ECM仿生结构，是本领域亟待解决的重要问题之一。而聚合物纳米纤维表面结构调控则是组织工程支架仿生制备的重要保障。
郑州大学李倩教授课题组通过对聚己内酯（PCL）静电纺丝纳米纤维自诱导结晶处理后获得了周期性排列的串晶结构，即通过纳米纤维诱导PCL分子链附生结晶形成杂化串晶结构。该结构均布于纳米纤维表面，与胶原纤维表表面的“D周期”拓扑形貌极为相似。实验结果发现串晶尺寸大小与PCL稀溶液的浓度呈近似线性关系，这表明通过控制结晶条件，可以调控串晶的晶片尺寸（见图1），从而为胶原纤维表面拓扑的仿生构建提供了途径。
图1. 带有串晶的纤维形貌及结构特征统计。随着PCL溶液浓度的增加，纤维表面的串晶结构愈加明显，测量统计发现，纤维表面粗糙度明显上升，串晶晶片尺寸逐渐增加并呈现近似线性分布
串晶结构的存在，进一步改变了纤维支架的局部微环境。通过串晶结构与纤维各参数的调控，获得了较为理想的平行取向纤维支架结构。对于带有串晶的纤维支架来说，随着PCL稀溶液浓度的增加，形成的串晶尺寸增加，纤维之间物理连接加强，纤维的拉伸模量，断裂伸长率和表面刚度增加，即串晶的形成在空间距离较近的纤维之间形成了物理交联点的作用。同时，纤维支架表面的亲水性也得到了改善，为细胞的更好地黏附提供了条件。（如图2所示）
图2. （A）纤维膜拉伸模量；（B）纤维膜断裂伸长率；（C）纤维膜表面杨氏模量；（D）纤维膜水接触角。
类似“D周期”的串晶结构对内皮细胞的生长产生了显著影响。细胞增殖实验表明，细胞在具有较大串晶尺寸的材料表面增殖速度更快，且随着时间的增加增殖差异越来越明显（如图3A）。同时，细胞的形状及粘附行为也受到影响。随着串晶尺寸的增加，细胞的核型指数逐渐增大（如图3B），黏着斑的平均激光强度明显提高（如图2C），与此同时，黏着斑的极性分布也更加显著（如图3D），从而促进了细胞迁移。
图3. （A）细胞增殖实验；（B）细胞核型指数；（C）细胞黏着斑平均激光强度；（D）细胞黏着斑横轴方向与纵轴方向激光强度之比
通过对细胞迁移行为的实时动态观测发现，细胞在迁移过程中呈现出规律的形态变化（如图4A），迁移速度受到细胞外微环境改变的影响逐渐增加（图4B），细胞迁移轨迹也在取向纤维的“约束”下呈现明显的方向性（图4C-F）。实验结果表明，通过串晶结构仿生构建的类“D周期”结构对内皮细胞迁移行为具有显著影响。
图4. （A）细胞迁移过程中的形态变化（比例尺为100 μm）；（B）细胞迁移速度；细胞迁移轨迹：（C）SK0，（D）SK05，（E）SK10，（F）SK50
该工作基于聚合物纳米纤维诱导串晶结构，实现了胶原纤维表面拓扑结构的仿生构建，首次关注了纳米纤维表面形貌对内皮细胞迁移行为的影响，为组织工程支架材料的设计与制备、细胞迁移行为相关的生物学、医学研究提供了新的切入点和理论指导。
以上相关成果发表在Biomacromolecules（Biomacromolecules. 2020, DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01638）上。论文的第一作者为郑州大学微纳成型技术国际级国际联合研究中心硕士研究生郭欣，通讯作者为王小峰博士和李倩教授。该研究成果得到了国家国际科技合作专项、河南省“111”引智基地项目、河南省科技攻关项目的支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.9b01638
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