造血干细胞(Hematopoietic stem cells，HSCs)是一类具有经历多个分裂周期而保持未分化状态的自我更新能力，以及分化成任何成熟血细胞类型的多向分化能力的细胞。这两个特点使得造血干细胞成为治疗很多威胁生命的血液疾病的有效细胞源，如白血病和淋巴瘤等。造血干细胞在体内主要来源有脐血，骨髓和外周血等。其中，脐血是一种具有临床造血移植前景的造血干细胞的来源，并已经应用于儿童患者血液疾病的治疗。但是，可供移植的造血干细胞的数量不足极大地阻碍了其在临床规模治疗上的应用。为了克服这种阻碍，需要开发高效的、切实的方法以实现造血干细胞的体外扩增，并进一步在血液疾病治疗上取得一定的突破。近年来，已有大量的研究集中在体外扩增造血干细胞这个方向上，但由于造血干细胞多功能性在体外培养过程中容易丢失，当前的研究工作仍然没得到满意的结果。然而，造血干细胞在体内微环境中能够自我更新并维持多功能性。这个微环境被称作造血干细胞龛，由基质细胞、细胞外间质和可溶性因子等组成。造血干细胞龛与造血干细胞之间的相互作用可以提供的细胞信号、分子信号以及结构信号等可以有效地调控造血干细胞的命运，如静默、增殖、分化和自我更新等。因此，模拟造血干细胞体内微环境可能是一种促进造血干细胞体外扩增的行之有效的方法。本论文基于高分子材料构建不同类型的拟生态造血干细胞龛，并将其应用于脐血CD34+细胞的体外扩增。本论文主要研究基质细胞、三维结构、共培养接触方式和细胞因子等因素对脐血CD34+细胞的体外扩增的影响，具体如下:　　(1)构建了基于海藻酸微球包埋人羊膜层间充质干细胞(Mesenchyme stem cellsderived from human amniotic membrane，hAMSC)和CD34+细胞的体外共培养体系，并对各培养条件进行筛选。将hAMSC、脐血来源间充质干细胞(Mesenchyme stem cellsderived from umbilical cord，UCMSC)和人成纤维细胞（Human fibroblast cells，HFs）分别作为CD34+细胞共培养用的基质细胞以筛选出最优基质细胞种类。常规的二维共培养结果表明hAMSC在总细胞扩增数和CD34+表型维持的支持上要优于其他两种基质细胞（UCMSC和HFs）。其次，我们引入海藻酸微球以限制hAMSC的生长，结果表明其既能有效地限制包埋的hAMSC的增殖，又能保持包埋细胞的生物活性。我们发现只有少量的hAMSC迁移出海藻酸微球，而其分泌的生长因子和细胞因子则能够很容易地释放。与常规二维CD34+细胞培养相比，海藻酸微球支持的CD34+细胞/hAMSC共培养获得更多的总细胞扩增数，更高的CD34+和CD34+CD38-细胞的比例以及更好的细胞活力。因此，基于海藻酸微球包埋基质细胞的共培养体系能够有效地促进CD34+细胞的体外扩增。　　(2)在体内，造血干细胞的命运选择依赖于其与微环境之间的相互作用，包括与三维细胞外基质和基质细胞之间的相互作用。在此，我们构建了基于聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)支架的脐血CD34+细胞和hAMSC的共培养体系，并以此模拟造血干细胞的体内微环境。PCL支架通过盐析方法制备，其具有内部孔洞相通的大孔结构。hAMSC作为基质细胞包埋在PCL支架内并能保持很好的生物活性。将CD34+细胞分别接种在PCL内部或悬浮液中以构建基于PCL支架的CD34+细胞和hAMSC的直接接触或间接接触共培养方式。共培养结果表明hAMSCs可以很好地支持CD34+表型维持和扩增细胞多功能性的保持，且包埋在PCL支架之后能提升其支持作用。另外，基于PCL支架包埋的CD34+细胞与hAMSC的间接接触的共培养相比于两种细胞在PCL支架内部直接接触共培养，在总细胞扩增、CD34+和CD34+CD38-表型维持、集落形成能力以及扩增细胞活力上有显著的提升。因此，基于PCL支架的CD34+细胞和hAMSCs的共培养可以有效地促进CD34+细胞的体外扩增，特别是当两种细胞采用间接接触共培养的方式。　　(3)造血干细胞与三维细胞外基质和可溶性细胞因子之间的相互作用对造血干细胞命运的调节起到至关重要的作用。受此启发，我们构建了可以原位释放SCF的甲基丙烯酸酯功能化的透明质酸-甲基丙烯酸酯功能化的明胶双网络水凝胶(Methacrylatedhyaluronic acid-methacrylated gelatin double network，HGDN)，并将其应用于CD34+细胞的体外扩增。HGDN水凝胶可以通过两步光交联方法制备，并且具备一系列优越的性能，包括良好的生物相容性、多孔结构、优异的吸水和保水能力以及合适的力学性能。SCF可以从HGDN水凝胶中持续释放4天，其与CD34+细胞体外扩增过程中SCF作用的时间段相吻合。基于SCF负载的HGDN水凝胶的CD34+细胞培养相比于连续添加SCF的培养条件，能够得到相近的扩增细胞数，但其能形成更多集落数。这两个条件得到培养效果要明显优于没有添加SCF的培养条件。这些研究结果表明HGDN水凝胶是一种构建拟造血干细胞龛微环境的理想的支架材料。同时，体系中的SCF生物活性可以得到很好地维持，因此原位持续释放SCF是一种有希望的SCF添加策略。考虑到SCF的使用是高效率的，我们呈现的模型能够为设计操作简便的、具有成本效益的造血干细胞体外扩增用细胞因子负载支架提供参考。　　(4)通过八叠氮的多面体齐聚倍半硅氧烷(Octa-azido-functionalized polyhedraloligomeric silsesquioxanes，OAPOSS)与炔基封端的聚乙二醇(poly(ethylene glycol)，PEG)之间的叠氮-炔基点击反应来制备POSS-PEG无机/有机杂化水凝胶。通过改变PEG的链长(3k，6k和10k)制备了一系列且具有多孔结构的POSS-PEG杂化水凝胶。在磷酸盐缓冲溶液（Phosphate buffer solution，PBS）中的溶胀测试结果表明，POSS-PEG水凝胶表现出优异的吸水能力，且其溶胀率随PEG链的长度增加而增加。流变测试表明所有水凝胶都具有较好的粘弹性。力学性能测试结果表明杂化凝胶的弹性模量和极限应力（断裂时）随着PEG链的增长显著增强。分别将POSS-PEG水凝胶应用于CD34+细胞体外扩增和软骨细胞培养以分析材料的基本生物性能。CD34+细胞培养实验结果表明，所有的POSS-PEG水凝胶都具有良好的生物相容性，且弹性模量最大的POSS-PEG(10k)水凝胶对CD34+表型维持有一定的支持作用;软骨细胞培养结果表明所有POSS-PEG水凝胶都能够支持软骨细胞贴附、铺展和增殖，尤其是POSS-PEG(10k)水凝胶。因此，POSS-PEG水凝胶在生物医药领域上具有潜在应用。