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生物材料与细胞的相互作用在细胞行为/组织形成上扮演了关键作用,而材料的表面电势是影响它们相互作用的重要因素之一。构建适合细胞/组织生长的表面电势微环境,是促进骨组织形成和骨整合的有效手段。然而,如何合理采用表面电势及其变化契合细胞生长需求,仍是当前生物材料研究的一个巨大挑战。本论文以材料表面电势静态和动态变化角度,揭示材料表面电势对细胞行为的影响和作用机制。采用具有优良生物兼容性和铁电性的聚偏氟乙烯三氟乙烯聚合物(P(VDF-TrFE)),通过电极化处理实现稳定的表面电势静态调制。在P(VDF-TrFE)中引入磁致伸缩性的铁酸钴(CoFe2O4)纳米颗粒,通过外磁场实现可控的表面电势动态调制。在此基础上,开展了表面电势静态与动态变化对细胞行为(粘附、增殖、分化和矿化)的影响,探讨了静态与动态表面电势介导的材料-细胞相互作用机理。主要取得了如下3方面的研究结果:1.P(VDF-TrFE)基薄膜制备及其表面电势静态或动态调制采用溶液浇铸法在Ti基板上制备了 P(VDF-TrFE)铁电薄膜,并通过接触极化法对所制得的P(VDF-TrFE)薄膜进行极化。控制极化电场强度,获得表面电势变化范围宽的P(VDF-TrFE)薄膜(开尔文电势:-3,106,391,915 mV),同时其表面电势相当稳定(在PBS中浸泡60天后几乎没有衰减)。在P(VDF-TrFE)溶液中添加磁致伸缩的CoFe2O4(CFO)纳米颗粒,通过溶液浇铸在Ti基板上制备了 CFO/P(VDF-TrFE)磁电薄膜。极化处理后,CFO/P(VDF-TrFE)薄膜的静态表面电势为97mV(开尔文电势)。当施加0～3000Oe范围的外磁场,其薄膜表面电势的变化值高达93mV(磁致电势)。2.P(VDF-TrFE)薄膜静态表面电势对细胞成骨分化影响及其机制分析在P(VDF-TrFE)薄膜上培养MC3T3-E1细胞,发现随着其薄膜表面电势的增大(-3,106,391,915mV),细胞成骨分化能力呈现了先提高后降低的抛物线趋势,表面电势为391 mV的薄膜上细胞展现出最强的成骨分化能力。采用纤连蛋白(FN)绑定活性测试和分子动力学模拟对其作用机制研究表明,在具有391 mV表面电势的薄膜上,FN上的RGD粘附位点和PHSRN协同位点的暴露程度达到最大,间距最短,从而有利于细胞整合素α5β1与FN形成一个完全绑定的状态(β1-RGD + α5-PHSRN);而在薄膜表面电势过低(106mV)或过高的(915mV),FN上的PHSRN协同位点没有充分暴露,使得α5β1与FN只能形成一个部分绑定的状态(β1-RGD)。并且基因和蛋白结果表明,当α5β1与FN上的RGD和PHSRN位点都处于充分绑定状态时,可有效强化整合素介导FAK/ERK成骨分化信号通路。因此,本研究揭示了静态表面电势的调制,可改变吸附蛋白构型,介导与细胞整合素的相互作用,从而影响细胞成骨分化信号通路激活程度。3.CFO/P(VDF-TrFE)薄膜动态表面电势对细胞成骨分化影响及其机制分析在CFO/P(VDF-TrFE)薄膜上培养MC3T3-E1细胞,通过外磁场作用可在细胞培养期间改变薄膜表面电势。发现在细胞培养期间(7天)的不同生长阶段施加不同强度外磁场,即薄膜表面电势动态变化,则细胞可展现出更强的成骨分化能力。在细胞培养期间恒定施加外磁场,在粘附阶段(0～1 day),薄膜磁致电势为53mV(2000Oe)时细胞具有最佳促粘附效能;在增殖阶段(2～4days),薄膜磁致电势为88mV(2600 Oe)时细胞具有最佳促增殖效果;在分化阶段(5～7days),细胞成骨分化对薄膜磁致电势变化不敏感。基于该结果,在细胞培养期间动态施加外磁场,产生薄膜表面磁致电势的动态变化,在粘附阶段和增殖阶段期间分别设定其对应的最佳表面电势,则培养7天后显示,细胞的成骨分化能力显著提高。采用FN绑定活性测试和分子动力学模拟对其作用机制研究表明,在表面磁致电势为53 mV时,FN上的RGD位点暴露程度达到最大,使得整合素α5β1与FN的绑定作用(β1-RGD)最强,提升了细胞的识别和粘附能力;当表面磁致电势增加到88mV时,PHSRN位点的暴露程度增加,使得α5-PHSRN绑定作用显着加强(β1-RGD + α5-PHSRN)形成充分绑定状态,从而增强了细胞增殖和激活细胞成骨分化信号通路的能力。因此,本研究揭示了动态表面电势的调制,可动态改变吸附蛋白构型,动态介导与细胞整合素的相互作用及其实现作用最强化,从而在细胞生长过程中综合地提高细胞成骨分化信号通路激活程度。首次提出的分阶段动态调制表面电势介导细胞成骨分化的策略展现出了其科学性和有效性。