【纳米】可拉伸水凝胶用于调节粘附位点间距以控制细胞粘附与迁移
众所周知，具有纳米或微米尺度拓扑结构的材料界面能够调控细胞的界面行为。研究表明，在抵抗非特异性粘附的材料表面，特异性粘附位点之间的间距会显著影响细胞的粘附与铺展。细胞粘附位点的间距在70 nm左右变化时，细胞在表面的粘附与铺展表现出非常显著的差异。当间距小于70 nm时，细胞能稳定有效地在表面粘附并形成明显的粘合斑（Focal Adhesion）；而当间距大于70 nm时，由于粘合斑蛋白不能有效聚集，细胞粘附与铺展受到极大的限制。以往的研究集中于金纳米颗粒构成的具有六边形均匀堆积分布的纳米阵列表面，即粘附位点在二维方向具有相似的间距。然而，粘合斑的形成与细胞稳定铺展是否要求粘附位点在二维方向均小于70 nm仍是尚未回答的问题。
马克思•普朗克医学研究所（Max Planck Institute for Medical Research）与四川大学合作的研究团队使用嵌段共聚物胶束纳米阵列-再转移技术在可拉伸水凝胶表面锚定金纳米点阵，通过水凝胶拉伸控制金点阵在纳米尺度的分布与排列。水凝胶自身具有抗细胞非特异性粘附性能，因而细胞只能通过修饰在金纳米点阵上的RGD多肽粘附在凝胶表面。单个金纳米颗粒小于10 nm，因此单个颗粒只能与细胞膜上单个整合素α3βv（Integrin α3βv）结合，通过拉伸控制金点阵分布便可控制细胞膜整合素的聚集情况，进而研究粘合斑的形成与细胞铺展行为（图1）。
图1. 纳米点阵在水凝胶拉伸前后的变化及粘附其表面的细胞铺展状态变化示意图。
非拉伸状态下，纳米点阵在二维方向的间距均为35 nm左右。单向拉伸以后，点阵在拉伸方向的间距增大到70 nm以上，而法向间距则小于35 nm（图1）。图2表明，当水凝胶及其纳米点阵被拉伸至原始长度的1.0（L1.0）与1.5（L1.5）倍后，纳米点阵各向间距仍小于70 nm，MC3T3成骨细胞能稳定粘附在凝胶表面并形成明显的粘合斑；当拉伸至原始长度的1.9倍时（L1.9），点阵在拉伸方向的间距达到70 nm左右，粘合斑的长度、宽度及面积都显著减小；而拉伸至3.2倍时（L3.2），拉伸方向点阵间距远超过70 nm，达到约110 nm，这时在拉伸法向的点阵间距小于35 nm，细胞铺展与粘合斑的形成受到极大的限制，难以观察到纤维状细胞骨架与点状粘合斑。
图2. 细胞在单向拉伸至1.0、1.5、1.9及3.2倍（L0、L1.5、L1.9及L3.2）的纳米点阵修饰水凝胶表面的粘附状态及粘合斑形成情况。
进一步对MC3T3成骨细胞以及REF52大鼠成纤维细胞的粘附行为研究表明，当细胞不能稳定粘附在拉伸3.2倍的大间距纳米点阵修饰水凝胶表面时，细胞表现出较快的迁移速率，而当细胞稳定粘附时，细胞迁移速率显著降低。因此，通过往复拉伸释放水凝胶，该体系可以实现细胞在材料表面迁移速率的可逆控制（图3）。
图3. 往复拉伸释放纳米点阵修饰水凝胶可逆调控细胞迁移速率。
以上研究表明，可拉伸水凝胶与纳米点阵的结合可以有效调控细胞在材料表面的粘附行为；细胞难以在单一方向超过70 nm的粘合位点点阵表面稳定粘附，单一方向上小间距排列的整合素难以有效聚集组装形成粘合斑。然而，不稳定粘附赋予细胞更强的迁移能力，拉伸与释放水凝胶体系能够有效切换细胞迁移与稳定粘附。该纳米点阵修饰可拉伸水凝胶为调控细胞在材料生物界面的行为提供了新的思路。
该论文作者为：Jie Deng, Changsheng Zhao, Joachim P. Spatz and Qiang Wei
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Nanopatterned Adhesive, Stretchable Hydrogel to Control Ligand Spacing and Regulate Cell Spreading and Migration
ACS Nano, 2017, 11, 8282, DOI: 10.1021/acsnano.7b03449
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