人诱导多能干细胞(human induced pluripotent stem cell,hiPSCs)作为组织工程与再生医学的理想种子细胞来源,在疾病研究及临床治疗中具有良好的应用前景。当前的研究已经开发出了诸多人工合成培养表面以支持hiPSCs的体外培养。近年来,通过改变生物材料理化性质调控hiPSCs行为成为干细胞研究领域的热点之一。与此同时,由于纳米级表面粗糙度可以很好地模拟天然细胞外基质,同样也引起了学者们的广泛关注。目前的研究已证实表面粗糙度对许多细胞的生长和分化都有重要的作用。但是,对于hiPSCs而言,以往的研究存在培养表面的开发没有以常用的聚苯乙烯材质为基础、培养表面不能直接用于细胞的体外培养及生物活性物质的修饰会改变材料自身理化性质等缺点。因此,本研究借助前期开发的聚多巴胺-羧甲基壳聚糖-VN多肽(PDA-CMC-VN)培养表面可直接支持hiPSCs生长的优势,系统地研究了表面粗糙度对hiPSCs行为的影响。首先,根据PDA聚合时间对PDA-CMC-VN培养表面粗糙度的影响,分别制备PDA聚合时间为2 h、6 h、12 h和24 h的PDA-CMC-VN培养表面。利用原子力显微镜和接触角测量仪检测培养表面粗糙度和接触角,以表征表面特性。利用FITC-VN多肽研究PDA-CMC表面粗糙度对VN多肽接枝量的影响。结果显示,随着PDA接枝时间的增加,PDA-CMC-VN培养表面粗糙度逐渐增加,且粗糙度变化对亲水性和VN多肽的接枝量没有明显影响。其次,利用结晶紫染色、CCK8检测、流式细胞术、核型分析、RT-PCR及免疫荧光染色技术系统研究表面粗糙度对hiPSCs增殖及多能性维持的影响。结果显示,在较光滑的培养表面(2 h PDA-CMC-VN,Ra=11.3 nm)上,hiPSCs展示出良好的增殖及自我更新能力。相反,在24 h PDA-CMC-VN培养表面(Ra=26.82 nm),hiPSCs的增殖及多能性维持较差。而且与状态稳定的hNF-C1hiPSCs相比,易分化的uiPSCs对粗糙表面更敏感。此外,在不同粗糙度PDA-CMC-VN表面培养的hiPSCs,其黏着斑蛋白及细胞外基质相关基因(FAK、E-cadherin、MYH9)的表达有一定的差异,表明基底可以与细胞外基质相互作用影响hiPSCs的状态。最后,在此基础上,利用重复性较好的单层法分别研究表面粗糙度对hiPSCs成骨及心肌向分化的影响。结果显示,在不同粗糙度的PDA-CMC-VN培养表面,hiPSCs均可以分化为成骨样细胞及心肌样细胞。在成骨分化方面,hiPSCs在成骨诱导7 d和14 d时,粗糙表面(24 h PDA-CMC-VN培养表面,Ra=26.82 nm)上细胞的成骨分化相关标志物(ALP、RUNX2、COL1A1、OPN)的表达量较高,提示粗糙表面有利于hiPSCs的成骨分化。然而,不同粗糙度表面的hiPSCs在诱导心肌分化后,其特异性标志物(TNNT2、MYH6、KCNH2、MLC2a、NKX2.5)的表达量没有明显差异,说明在一定范围(11.3 nm≤Ra≤26.82 nm)内或者是在粗糙度较小时(Ra≤26.82 nm),表面粗糙度对hiPSCs心肌向分化的影响很小。