在组织和器官的生理和病理过程中,都伴随着细胞外微环境的动态重塑。细胞外基质（Extracellular matrix,ECM）结构和组分的动态变化将导致基质生物物理性能—硬度（Stiffness）的变化,该变化对各种细胞行为和细胞功能都有着重要的影响。传统的生物材料通常由陶瓷或聚合物通过共价或者非共价作用形成,提供一个相对惰性的静态生理微环境,虽然在研究细胞与材料,细胞与细胞之间的相互作用中取得了很大的进展,但由于其缺乏与复杂的细胞组织过程相应的时空动态性,限制了细胞与环境的相互作用,在细胞生物学研究以及组织工程应用上都存在局限性。刺激响应性材料和生物响应性材料的出现和发展为模拟动态细胞外微环境提供了新的思路,且各具优势。基于此,为将刺激响应和生物响应的动态性结合到生物材料的设计中,为更好地理解和掌握材料硬度影响细胞行为的客观规律,以及为通过动态改变材料硬度的手段实现对细胞行为更好的调控,本研究开展了如下工作:1.越来越多的研究证实细胞自噬在影响和控制细胞行为方面扮演着关键角色。为探讨不同的材料表面硬度对血管内皮细胞（VEC）和血管平滑肌细胞（VSMC）细胞自噬行为的影响,本研究构建了具有不同硬度的聚电解多层膜。我们的细胞实验结果显示细胞自噬水平的高低受到材料硬度大小的影响,且对VEC和VSMC显现出不同的影响趋势。进一步降低细胞自噬的水平时,VEC功能性蛋白的基因表达量和VSMC的表型转化都随之变化。该研究证实了材料表面硬度能够直接对细胞自噬产生影响,并为细胞微环境硬度的提高可能加快心血管疾病进程提供了科学的依据。2.多项研究表明,高的材料表面硬度有利于细胞初期的生长,而较低的表面硬度有利于细胞后期的功能表达。为构建具有自适应性硬度降低的材料体系,本研究采用基质金属蛋白酶（MMPs）敏感的多肽交联聚电解质多层膜,使得多层膜具有较高的初始硬度,促进VEC细胞粘附。在细胞增殖过程中,多层膜的硬度因细胞分泌的MMPs降解多肽而动态降低,从而提高内皮层的功能表达,体现在更高的功能蛋白基因表达和抗凝血性。该研究显示了从高硬度变为低硬度这种硬度自适应性的独特优势,为下一代的组织工程、再生医学和器官芯片等材料的表面设计提供了科学启示。3.微环境硬度与肿瘤性状之间有着紧密的关联性。在本研究中,为了探究材料表面硬度动态降低对肿瘤细胞恶性的影响,我们利用上一部分工作中的MMPs敏感动态硬度聚电解质多层膜,研究了对人乳腺癌细胞MDA-MB-231的影响。我们利用肿瘤细胞高表达的MMPs,研究了多层膜对细胞的粘附、增殖、取向、恶性蛋白的基因表达等影响,并进一步采用三维凝胶Matrigel为培养环境,观察了在不同硬度下,对细胞团簇的影响。我们的数据表明,和较高硬度的静态材料表面相比,在硬度动态下降的多层膜表面上细胞具有较低的肿瘤恶性,表现出一定的“肿瘤休眠/肿瘤逆转”的现象。4.从仿生学角度出发,构建仿生理和病理血管硬度的材料体系,将有利于我们进一步认识材料硬度对血管细胞的行为影响规律。本研究中,我们将具有光敏感的偶氮苯AZO分子引入到聚电解质多层膜中,通过调控材料制备过程中的组装液浓度,多层膜组装层数,紫外光照时间等,得到与生/病理血管硬度相当的多层膜。在紫外/可见光的照射下,多层膜的硬度可在生理硬度和病理硬度之间发生转换。我们进一步在该种多层膜上培养VSMC,数据显示该多层膜具有良好的细胞相容性,并且硬度的变化能够影响细胞粘附行为和表型相关蛋白的表达。该多层膜的设计为构建仿生细胞外微环境的材料表界面设计提供了新的启示。