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  細胞的動態調控對組織工程與再生醫學意義重大。細胞外基質（ECM）的網狀結構在為細胞提供結構和力學支持的同時，也為細胞的粘附和遷移提供了三維微環境。細胞外基質的仿生構建是組織工程支架設計與制造的重點也是難點之一。大量的研究表明，聚合物納米纖維可以在一定程度上仿生ECM中膠原纖維的結構特征，這表明，基于此結構的組織工程支架所提供的物理微環境，將對細胞的粘附和遷移具有重要意義。然而，在膠原纖維表面存在的膠原蛋白分子螺旋錯落排列形成的“D周期”結構卻很少被關注到，即周期約為67nm的拓撲結構，現有研究方法所制備的聚合物納米纖維的表面大多為光滑表面，并無特別的拓撲結構。因此，如何構建更為擬實的ECM仿生結構，是本領域亟待解決的重要問題之一。而聚合物納米纖維表面結構調控則是組織工程支架仿生制備的重要保障。

  鄭州大學李倩教授課題組通過對聚己內酯（PCL）靜電紡絲納米纖維自誘導結晶處理后獲得了周期性排列的串晶結構，即通過納米纖維誘導PCL分子鏈附生結晶形成雜化串晶結構。該結構均布于納米纖維表面，與膠原纖維表表面的“D周期”拓撲形貌極為相似。實驗結果發現串晶尺寸大小與PCL稀溶液的濃度呈近似線性關系，這表明通過控制結晶條件，可以調控串晶的晶片尺寸（見圖1），從而為膠原纖維表面拓撲的仿生構建提供了途徑。

圖1. 帶有串晶的纖維形貌及結構特征統計。隨著PCL溶液濃度的增加，纖維表面的串晶結構愈加明顯，測量統計發現，纖維表面粗糙度明顯上升，串晶晶片尺寸逐漸增加并呈現近似線性分布

  串晶結構的存在，進一步改變了纖維支架的局部微環境。通過串晶結構與纖維各參數的調控，獲得了較為理想的平行取向纖維支架結構。對于帶有串晶的纖維支架來說，隨著PCL稀溶液濃度的增加，形成的串晶尺寸增加，纖維之間物理連接加強，纖維的拉伸模量，斷裂伸長率和表面剛度增加，即串晶的形成在空間距離較近的纖維之間形成了物理交聯點的作用。同時，纖維支架表面的親水性也得到了改善，為細胞的更好地黏附提供了條件。（如圖2所示）

圖2. （A）纖維膜拉伸模量；（B）纖維膜斷裂伸長率；（C）纖維膜表面楊氏模量；（D）纖維膜水接觸角。

  類似“D周期”的串晶結構對內皮細胞的生長產生了顯著影響。細胞增殖實驗表明，細胞在具有較大串晶尺寸的材料表面增殖速度更快，且隨著時間的增加增殖差異越來越明顯（如圖3A）。同時，細胞的形狀及粘附行為也受到影響。隨著串晶尺寸的增加，細胞的核型指數逐漸增大（如圖3B），黏著斑的平均激光強度明顯提高（如圖2C），與此同時，黏著斑的極性分布也更加顯著（如圖3D），從而促進了細胞遷移。

圖3. （A）細胞增殖實驗；（B）細胞核型指數；（C）細胞黏著斑平均激光強度；（D）細胞黏著斑橫軸方向與縱軸方向激光強度之比

  通過對細胞遷移行為的實時動態觀測發現，細胞在遷移過程中呈現出規律的形態變化（如圖4A），遷移速度受到細胞外微環境改變的影響逐漸增加（圖4B），細胞遷移軌跡也在取向纖維的“約束”下呈現明顯的方向性（圖4C-F）。實驗結果表明，通過串晶結構仿生構建的類“D周期”結構對內皮細胞遷移行為具有顯著影響。

圖4. （A）細胞遷移過程中的形態變化（比例尺為100 μm）；（B）細胞遷移速度；細胞遷移軌跡：（C）SK0，（D）SK05，（E）SK10，（F）SK50

  該工作基于聚合物納米纖維誘導串晶結構，實現了膠原纖維表面拓撲結構的仿生構建，首次關注了納米纖維表面形貌對內皮細胞遷移行為的影響，為組織工程支架材料的設計與制備、細胞遷移行為相關的生物學、醫學研究提供了新的切入點和理論指導。

  以上相關成果發表在Biomacromolecules（Biomacromolecules. 2020, DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01638）上。論文的第一作者為鄭州大學微納成型技術國際級國際聯合研究中心碩士研究生郭欣，通訊作者為王小峰博士和李倩教授。該研究成果得到了國家國際科技合作專項、河南省“111”引智基地項目、河南省科技攻關項目的支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.9b01638