细胞迁移是生理学和病理学中十分重要的过程,与胚胎发育、血管生成、免疫应答以及肿瘤转移等过程息息相关。生物体内细胞能够对生物化学或生物物理信号刺激做出响应从而进行迁移。由于非必要的或过度的细胞迁移会导致组织不正确的修复甚至导致疾病,因此选择性调控细胞迁移非常重要。模拟一些信号分子对细胞的作用可望实现选择性调控细胞迁移,为生物材料设计提供理论支持和实验依据。通过聚酯胺解在表面引入氨基,再经过戊二醛偶联,接枝明胶分子。利用注射泵改变胺解时间,即可在表面构建明胶梯度。发现在明胶密度梯度的表面,内皮细胞(Endothelial cells,ECs)骨架沿梯度方向排列。内皮细胞在明胶密度梯度表面趋向于向明胶分子密度增加的方向迁移。最高有90%的内皮细胞向梯度正方向迁移,迁移速率达11μm/h。发现明胶分子密度梯度对于平滑肌细胞(Smooth muscle cells,SMCs)和成纤维细胞(Fibroblasts,FIBs)迁移的方向性影响较为显著,然而对细胞迁移速率影响并不明显。结果证实,单一明胶梯度对于不同细胞没有选择性。之前关于细胞选择性的表面修饰研究都基于模型材料表面,修饰方法较为复杂。基于第二章工作,提出了一个具有普适性、更简单的表面修饰方法。在聚已内醋(Polycaprolactone,PCL)膜材料表面沉积一层聚多巴胺,使表面带有氨基。将透明质酸用甲基丙烯酸酐改性后(MA-HA)接枝在聚多巴胺表面以构建细胞阻粘层。精氨酸-谷氨酸-天冬氨酸-缬氨酸(Arg-Glu-Asp-Val,REDV)多肽能够特异性识别内皮细胞。REDV多肽修饰巯基后通过迈克尔加成,接枝在MA-HA表面;结合注射法,构建出REDV多肽密度梯度。在REDV多肽接枝表面,内皮细胞粘附数量可达到平滑肌细胞的2.5倍。内皮细胞在REDV多肽密度梯度表面迁移定向性达到86%,同时迁移速率增大到细胞培养板(Tissue culture polystyrenes,TCPS)表面2倍;平滑肌细胞则表现出没有定向性的迁移,迁移速率下降50%以上。细胞片迁移结果表明内皮细胞片向梯度正方向迁移距离是均匀表面的3倍。成纤维细胞激活后向血管中层迁移是导致血管外膜纤维化的原因之一。因此,血管受损后选择性促进平滑肌细胞的粘附和迁移非常重要。在材料表面构建一层聚乙二醇的均匀阻粘分子层,通过共价接枝梯度固定细胞特异性多肽,能够实现细胞的选择性粘附和迁移。缬氨酸-丙氨酸-脯氨酸-甘氨酸(Val-Ala-Pro-Gly,VAPG)多肽对平滑肌细胞具有特异选择性作用。首先通过盐溶液密度梯度在表面构建了一层均匀的聚乙二醇阻粘分子层,末端带有梯度的叠氮基团,再通过点击反应,将炔基修饰的VAPG多肽接枝在表面。VAPG多肽接枝实现了对于平滑肌细胞的选择性粘附,平滑肌细胞密度最高可达成纤维细胞2倍。VAPG多肽的接枝使平滑肌细胞迁移速率提高,成纤维细胞迁移速率降低。平滑肌细胞迁移速率(22 μm/h)最高达到相同位置成纤维细胞迁移速率3倍以上;84%的平滑肌细胞趋向VAPG多肽接枝密度增加的方向迁移,且平滑肌细胞有效迁移距离显著性增大。三维环境下的细胞迁移与二维平面上有很大不同。因此模拟细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)构建相应材料来研究细胞迁移行为具有更重要的意义。基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteinases,MMPs)是在大部分细胞均有表达的一类能够降解细胞外基质的蛋白水解酶。在本章中,通过甲基丙烯酸酐改性的透明质酸双键和基质金属蛋白酶-2(MMP-2)敏感的多肽序列上的巯基迈克尔加成反应,构建了一种对细胞分泌的MMPs产生响应从而降解的水凝胶。通过Transwell模型,考察了平滑肌细胞在水凝胶内的三维迁移情况。平滑肌细胞在有其他细胞诱导下,向酶敏感水凝胶内部迁移达120μm。进一步研究影响其迁移行为的因素发现,平滑肌细胞在水凝胶内主要以间充质方式迁移,MMP-2降解水凝胶导致网络结构疏松是细胞在水凝胶内部迁移的主要原因。体内实验结果说明,细胞向降解程度不同的水凝胶内部侵袭方式不同,且侵袭深度随水凝胶可降解程度增加而增大。在本文中,采用聚合物阻粘层结合细胞特异性多肽这一手段,构建了两种细胞选择性表面,并成功在生物降解材料聚已内酯表面实现了这一目标。多巴胺沉积进而偶联其他分子具有普适性,因而该表面修饰方法可适用于多种材料表面。进一步构建的模拟细胞外基质环境水凝胶,阐明细胞在其中的三维迁移行为,有助于发展具有特殊结构和功能的生物材料,以更好地实现组织再生。