生物材料与细胞相互作用及表面修饰

生物材料与细胞相互作用及表面修饰

葛泉波　何淑兰　毛津淑　姚康德3

(天津大学材料学院高分子材料研究所　天津　300072)

摘　要　生物材料用作人工细胞外基质(EC Ms)在组织工程中起重要作用。生物材料表面的拓扑结构、亲水/疏水平衡、自由能、电荷状况、化学基团和生物特异性识别对材料/细胞相互作用有较大影响。生物材料表面与细胞的相互作用主要是细胞膜表面受体与生物材料表面配体间的相互分子识别,因此采用仿生修饰生物材料表面以提高细胞亲和性和特异性识别。本文对生物材料与细胞相互作用及表面修饰的技术方法进行了介绍。

关键词　组织工程,生物材料,细胞,表面修饰

The I nteraction betw een Biomaterials and Cells and Surface

Modi fication of Biomaterials

G e Quanbo,He Shulan,Mao Jinshu,Y ao K angde3

(Research Institute of P olymeric Materials,T ianjin University,T ianjin300072,China)

Abstract　Biomaterials as artificial extracellular matrices(EC Ms)have played a crucial role in tissue engineering.T opological structure,hydrophilicΠhydrophobic balance,free energy,charges,functional groups and biologic specificity recognition of biomaterials sur face greatly affect the interaction between biomaterials and cells.

Biomaterials2cells interaction is mainly the m olecule recognition between receptors of cells and ligands of biomaterials sur face.F or the purpose of enhancing cells affinity and specificity recognition,biomimetic m odification of biomaterials sur face is essential.This paper introduces the interaction between biomaterials and cells and several sur face m odification methods for biomaterials.

K ey w ords　T issue engineering,Biomaterials,Cell,Sur face m odification

组织工程是运用工程科学与生命科学的基本原理和方法研究与开发生物替代物,从而恢复、维持和改进人体组织功能的一门新兴交叉学科[1]。其基本策略是在体外模拟生理环境,将组织细胞黏附在生物相容性良好且可降解吸收的多孔支架材料上,并提供营养使之扩增,形成细胞与支架复合物,然后将复合物植入机体内。随着支架材料逐步降解,细胞不断增殖并分泌细胞外基质,最终形成与原来功能、形态相对应的组织,达到修复创伤和重建功能的目的。

随着分子细胞生物学的发展,第三代生物材料(细胞和/或基因活化生物材料)的设计理念已逐渐清晰,即从分子水平上控制生物材料与细胞间的相互作用,引发特异性细胞反应,抑制非特异性反应,实现细胞黏附、增殖、分化、凋亡及细胞外基质的重建[2]。细胞与生物材料间的反应和材料表面性能有密切关系,所以深入研究仿生工程化生物材料表面与细胞间的相互作用是设计和改进第三代生物材料的关键[3]。表面修饰生物材料,使其具备良好的生物相容性及能使细胞和分子产生

葛泉波　男,24岁,硕士生,现从事组织工程材料研究。　3联系人

国家重点基础研究发展规划资助项目(G1999054305)

2003212230收稿,2004205218接受

响应的特异性识别位点,是当前研究的热点。本文介绍了生物材料表面与细胞的相互作用,并总结了生物材料表面修饰的技术方法。

1　生物材料表面性质的仿生化

1.1　生物材料表面的拓扑结构

从材料学的角度讲,材料结构决定材料性能,所以表面微观结构对表面性能有重大影响。生物材料表面的拓扑结构(表面的粗糙度、孔洞的大小及分布、沟槽的尺寸和取向等)对细胞的黏附、铺展、增殖、分化、功能表达有很大影响。Chung等先将聚乙二醇(PEG)接枝到聚氨酯(PU)表面,生成接枝产物PU2PEG,再将N2琥珀酰亚胺/62(42叠氮222硝基苯胺)/己酸酯(S ANPAH)和多肽G ly2Arg2 G ly2Asp(G RG D)分别溶于乙醇和蒸馏水中,室温暗室共混反应2h,生成苯基叠氮衍生多肽,最后通过紫外光照射将其固定在PU2PEG表面,在纳米尺度上提高了表面粗糙度,MTT检测表明体外培养的人脐静脉内皮细胞生长速率有所提高[4]。细胞在识别材料表面特征时,可响应微米和纳米尺度的表面拓扑结构,产生接触引导,所以人们可利用材料表面拓扑结构来调控细胞行为。Dalby等利用聚苯乙烯(PS)和聚(42溴代苯乙烯)(P BrS)共混浇铸成膜,表面形成岛状拓扑结构,种植入成纤维细胞后发现,细胞对岛状结构非常敏感,黏附后迅速产生丝状伪足,细胞骨架迅速形成[5]。生物材料表面的微结构域可以调控细胞与基质的信号传导,从而影响细胞黏附结构域的形成和细胞骨架的发育,最终形成具有高度取向的细胞图案。研究发现,条纹几何形状的表面有利于细胞的取向和运动[6]。Matsuzaka等将鼠骨髓细胞种植在具有细微纹沟的聚乳酸表面,培养8d后,发现细胞呈扁平状,与表面纹沟平行排列分布;培养16d后,发现矿化基质沉积在表面,且与表面纹沟平行排列分布。表面微纹结构基体上的细胞碱性磷酸酶(A LP)活性明显高于表面光滑基体上的细胞,这表明表面微纹拓扑结构对细胞生长有一定促进作用[7]。生物材料表面的微图案化,有望促进且调控特异细胞的生长和空间分布。

1.2　生物材料表面的亲水/疏水平衡

一般讲,亲水性表面对细胞黏附有促进作用,疏水性表面对蛋白质的吸附功能较强。蛋白质与生物材料表面接触和吸附过程中,常伴随水/蛋白质的吸附交换,而异种蛋白质间的吸附交换常有Vroman效应产生[8]。细胞与材料间的黏附是以蛋白质为介导而发生的,过于良好的亲水性表面不利于蛋白质的吸附,因此适宜细胞黏附、生长的表面有一最佳的亲水/疏水平衡值,此值因不同种类细胞而异。

1.3　生物材料的表面能

实验发现,生物材料的表面能量影响细胞的黏附,表面能较高的表面比能量较低的表面有利于细胞的黏附[9]。Satriano等采用52keV氩离子束照射聚羟基甲基硅氧烷和聚对苯二甲酸乙二酯,优化了基体材料的表面自由能参数,促进了人真皮成纤维细胞在改性材料上的黏附和增殖[10]。

1.4　生物材料的表面电荷

哺乳动物细胞膜表面荷负电,一般讲,荷正电的材料表面与荷负电的细胞由于静电吸附而利于细胞黏附,荷负电的材料表面与荷负电的细胞由于静电排斥,不利于细胞黏附[11]。研究发现,通过固定含有丰富带正电基团的氨基酸(如赖氨酸)在材料表面,可以提高材料的表面电荷浓度,增加黏附细胞的数量和增强细胞的黏附力[12]。

1.5　生物材料表面的化学基团

材料表面的化学结构是影响细胞的黏附生长的重要因素。一般而言,砜基、硫醚、醚键等对细胞生长影响不大,芳香聚醚类等刚性结构不利于细胞黏附,羧基、磺酸基、氨基、亚氨基及酰胺基等