细胞与细胞微环境的相互作用对细胞行为具有决定作用。细胞微环境包括界面结构、力学性能、化学性质等多个因素,通过对多个因素的主动设计有望更好地影响细胞行为,获得期望的结果。基于此,本研究以丝素蛋白纳米纤维为基质,通过电场作用形成取向凝胶,并进一步引入石墨烯、梯度结构等多种信号,探讨其对细胞行为的影响。首先,以不同浓度的丝素蛋白纳米纤维为基质,在电场作用下构建取向结构可调的丝素蛋白水凝胶,为研究取向结构调控细胞行为提供合适的基础平台。体外细胞结果表明取向凝胶材料不仅可以提高细胞的生长和增殖能力,同时还引导细胞定向生长和排列,使细胞沿着取向方向优先迁移。随后,将丝素蛋白作为稳定剂剥离的石墨烯引入上述取向凝胶体系,构建取向丝素蛋白-石墨烯复合凝胶,考察了纳米纤维结构、力学性能、取向形态和导电石墨烯等因素对神经相关的雪旺细胞、PC12细胞和胚胎干细胞黏附、形态、增殖和分化等行为的影响。结果表明,取向丝素蛋白-石墨烯复合凝胶有利于雪旺细胞和PC12细胞的黏附和增殖,可促进雪旺细胞骨架和PC12细胞的神经突沿着取向方向生长和延伸,石墨烯的加入进一步改善了对细胞向神经分化的诱导能力,PC12细胞形成神经突触的比例增加,神经突触显著变长,胚胎干细胞向神经方向分化的能力提高。最后,将梯度信号引入取向丝素蛋白纳米纤维凝胶,构建在取向方向具有不同梯度信号的凝胶材料。分别将力学梯度、药物浓度梯度和生长因子浓度梯度导入取向凝胶材料,以更好地控制细胞行为。研究结果表明梯度信号的引入不会破坏取向结构对细胞行为的调控,更多信号的加入成功实现了对细胞不同行为的进一步主动控制。其中梯度的力学信号维持细胞的取向形态;抗癌药的梯度实现了对癌细胞增殖抑制程度的控制;BMP-2生长因子的梯度分布则使得干细胞在取向方向不同梯度范围内表现出不同的细胞分化能力。上述结果证明通过多个信号在取向凝胶中的梯度设计,为研究不同信号的协同作用,构建更为积极主动的微环境奠定基础。综上,本研究基于丝素蛋白纳米纤维取向凝胶,通过更多信号的引入构建了包含多个调控因素的凝胶体系,研究了上述信号对细胞行为的调控作用和基本机制,为细胞和材料相互作用的研究提供更好的材料平台,为设计具有复杂微环境、具有生物活性的生物材料提供了新思路。