心血管疾病是全世界死亡最主要的原因之一。研究心血管疾病的机理、药物的开发和疾病的诊断治疗需要来自各学科的共同努力。体外构建心肌组织模型将为临床前研究和转化应用提供一个新的手段。体外心肌组织模型是具有人类心肌生理功能的模型,由生物材料和微系统作为组织形成的支架,并且需要人来源的心肌细胞在支架上培养形成具有生理功能的心肌组织。细胞是生命的基本单位,细胞通过粘附在细胞外基质中得以生存和生长。细胞外基质的微结构可以通过改变细胞的形状和细胞骨架来影响细胞的一系列行为,包括细胞的迁移、增殖和分化。人工构建生物支架用于细胞的体外培养和研究,不仅可以模拟细胞外基质为细胞提供支撑,还可以通过调节生物支架微结构来主动影响细胞的行为,比如指导干细胞的定向分化。指导干细胞定向分化是干细胞研究的主要目的之一。本论文的研究目的就是利用生物支架促进成体于细胞向心肌细胞分化,为体外心肌组织形成提供细胞来源。间充质干细胞是研究干细胞定向分化中最常用的细胞。一方面,间充质干细胞具有多向分化潜能,可以分化为成骨细胞、脂肪细胞,心肌细胞和软骨细胞等;另一方面,间充质干细胞的来源广泛,分离和提取的方法简便快捷,并且不涉及伦理问题。本论文选用的干细胞是人脐带中分离提取的间充质干细胞,具有免疫源性低,易于稳定培养扩增的优点。本论文选择明胶作为生物支架材料,明胶是胶原的水解产物,是一种蛋白质,结构中含大量羟基,亲水性极好,制成凝胶时适于细胞培养。通过生物交联剂京尼平的交联可提高明胶的稳定性,获得与体内心肌组织的弹性模量相匹配的水凝胶。利用软刻蚀技术中的微印章方法,以具有微结构的硅片为模板,经聚二甲基硅氧烷(PDMS)转印,成功制备了表面具有微结构的水凝胶,定向排列的微结构可促使细胞高度有序排列。氧化石墨烯(GO)以高比表面积,多羟基,亲水性的物理性能,与明胶水凝胶混合,可提高水凝胶的表面粗糙度,使水凝胶拥有较高的孔隙率,孔径减小,制备的氧化石墨烯水凝胶促进干细胞生长和分化。本论文研究了在玻片、明胶水凝胶、GO掺杂明胶水凝胶、具有微结构的GO掺杂明胶水凝胶这四种生物支架表面利用5-氮胞苷,小分子,或小分子结合共培养三种诱导方法诱导人脐带间充质干细胞(hUCMSCs)分化为心肌细胞。研究结果表明,上述三种明胶类水凝胶都具有很好的细胞相容性,相比于玻片,对人脐带间充质干细胞分化为心肌细胞有显著的促进作用,其中GO掺杂的凝胶作用更明显。相比于使用5-氮胞苷的化学诱导方法,小分子诱导人脐带间充质干细胞分化为心肌细胞的作用更明显,进一步的小分子结合共培养的诱导方法其对hUCMSCs分化为心肌细胞的作用最显著。该结果对干细胞向心肌细胞的高效定向分化研究具有指导意义。