一、材料表面拓扑形貌对细胞行为的影响

基于材料表面拓扑形貌构建的可行性较高，实施方案亦很多样，因而有关拓扑形貌对细胞行为和功能的影响获得了科学界的广泛研究。该研究领域几乎涉及拓扑形貌对细胞黏附、迁移、增殖和分化等方方面面的研究，甚至还涉及其对亚细胞结构如细胞核形貌与功能的影响。本部分内容将就部分较为“规整”拓扑形貌对细胞行为影响的研究报道作简要总结。

1.材料表面拓扑形貌对细胞黏附和取向的影响

已有大量的研究报道证实材料表面的拓扑形貌能够影响细胞的黏附和取向行为，该研究领域中最有名的现象便是细胞在各向异性表面的拉伸取向行为，即材料表面拓扑结构对细胞的“接触引导”效应。该现象最早由Harrison等在1912年提出。“接触引导”这一术语则是Weiss等在观察细胞在纤维状材料表面的黏附取向行为时提出。

在具备凹槽或凸嵴的拓扑表面，接触引导效应通常会促使细胞沿着凹槽或凸嵴的伸展方向排列并拉长。1988年，Wood等发现与平整膜相比，间充质细胞（fin mesenchymal cells）在具有凹槽结构的石英基底（宽 1～4μm，深 1.1μm，间距 1～4μm）上能够沿着凹槽延伸方向取向排列，且其迁移速度提高了3～5倍。Teixeira和Murphy等甚至还发现，人角膜上皮细胞在尺度小至70nm的凹槽拓扑结构上仍然体现出了明显的接触引导效应，而平整膜上的细胞则大部分体现出圆形性形状。此研究结果还表明，发生拉伸取向细胞的百分比并未随着横向间距尺寸的改变而变化，但随着凹槽深度尺寸的提升却有所增大。Yim和Leong等也发现大于90%的平滑肌细胞沿着栅线状拓扑结构发生了拉伸取向，而平整膜上的取向并不明显。

此外，Kim和Levchenko等还构建了梯度变化的拓扑形貌并研究了细胞在其表面的响应行为。其拓扑结构的凸嵴宽固定为1μm，凸嵴高固定为400nm，凹槽宽度在1.0～9.1μm变化。他们的研究结果表明，与较稀疏的区域相比，NIH 3T3成纤维细胞在较密集的凸嵴区域沿着凸嵴延伸方向取向和拉长的趋势更为明显。可见，细胞还能响应基底拓扑结构的密度等参数，进而调整自身的取向和形态等特征。

然而，并非所有的细胞种类均偏好于沿着凸嵴或凹槽方向取向，这主要取决于细胞的种类和拓扑结构的特征。当将海马细胞和小脑颗粒神经元接种到100nm宽、0.1μm间距、100～400nm深的凹槽表面时，Webb和Wood等观察到这些神经细胞的轴突却是垂直于凹槽方向伸展和取向。类似现象也被Rajnicek等报道过，其研究结果表明虽然脊髓神经元的轴突是沿着凹槽方向伸展取向（平行取向），但海马神经元的轴突却在较浅、较窄的凹槽表面发生了垂直取向（在较深、较宽的凹槽表面为平行取向）。此报道使用的拓扑形貌是石英表面的凹槽结构，深为14～1 100nm、间距为1μm、宽分别为1μm、2μm、4μm。 此外，Gerecht和Langer等发现当加入细胞骨架抑制剂时，人胚胎干细胞在光栅状拓扑形貌表面的接触引导取向被明显破坏，该研究结果提示细胞骨架完整性的维持是基底拓扑形貌接触引导效应发挥作用的必要条件。

除了显著影响细胞的取向特征外，材料表面拓扑形貌甚至还能影响细胞与基材黏附作用的强弱。例如Karuri和Murphy等的研究结果表明，人角膜上皮细胞在小宽度凹槽表面的黏附得到了明显的增强。他们先将角膜上皮细胞接种到400～4 000nm宽的凹槽表面，培养24小时后将这些黏附好的细胞置于一个流场中（可调节产生不同的剪切力），实验结果表明经过同样强度流场的“冲洗”后，细胞在400nm宽凹槽上的黏附数量明显多于更宽尺度的组别。

2.材料表面拓扑形貌对细胞迁移行为的影响

细胞迁移在损伤修复、免疫防御以及组织再生方面均发挥着重要的作用。除细胞与材料接触最初始的黏附行为外，科学家证实材料表面的拓扑形貌亦能显著调控细胞的迁移行为。如Kim和Levchenko等人发现拓扑结构的尺寸和疏密程度等均能显著影响成纤维细胞NIH 3T3的迁移行为。其研究结果表明成纤维细胞倾向于沿着具备最优拓扑形貌参数的区域迁移和极化取向。此外，当将大鼠骨髓基质干细胞培养到柞蚕丝素蛋白纤维（直径为400～1 200nm）上时，Qu和Zhang等观察到在细纳米纤维上的细胞的迁移情况远远高于粗纤维表面。还有研究证实在不同直径（15～100nm）的TiO₂纳米管表面，大鼠骨髓基质干细胞在15nm上的黏附与迁移均是最优的。

综合上述研究提示，通过设计恰当表面的拓扑形貌能够引导细胞在组织修复部位朝着特定的方向迁移，进而提升组织修复效率并加快组织修复进程。

3.材料表面拓扑形貌对细胞增殖行为的影响

部分研究报道证实基底的某些拓扑形貌同样能够显著影响细胞的增殖行为。例如Green和Recum等研究了腹部成纤维细胞在方形凹坑或柱子表面2周内的生长速率，结果表明与平整膜或凹坑相比，细胞在2μm和5μm高度柱子表面的增殖速率得到了明显的增强。Wan和Wang等的报道却表明成骨样细胞OCT-1在具备凹坑或柱子结构表面的增殖速率与平整膜相比并未得到显著增强。纳米级别的粗糙表面亦被证实能影响细胞的增殖行为，Washburn等利用退火温度梯度法制备了不同粗糙度（范围为0.5～13nm）的聚乳酸表面，细胞实验表明成骨细胞MC 3T3-E1在粗糙表面的增殖速率往往低于平整膜表面，且当表面粗糙度大于1.1nm后细胞的增殖速率便发生了显著下降。另外，部分其他文献也报道了细胞在平整膜表面的增殖速率快于纳米栅格表面的现象。

上述研究结果均证实材料表面拓扑形貌能够有效调控细胞的增殖行为，至于不同的影响趋势则很可能是由于细胞种类和表面拓扑结构的尺度特征不同所导致。

4.材料表面拓扑形貌对细胞分化行为的影响

借助于微米和纳米尺度范围内规则拓扑结构构建的研究表明，可以通过调节拓扑形貌的特征参数来实现对细胞分化行为的有效调控。如Steinberg等研究了早期角化细胞在硅橡胶PDMS微米柱阵列（直径5μm，高度15μm，间距分别为 8μm、11μm 和14μm）上的分化行为，研究结果表明，早期角化细胞分化的特征性蛋白（cytoplasmic keratin）在最小间距的微米柱上表达最高。Yim和Leong等还仔细研究了拓扑形貌特征（具有不同宽度的栅格结构，宽度范围为0.4～10μm）对人骨髓基质干细胞成神经分化的影响，该结果显示与平整膜和宽栅格拓扑结构相比，窄栅格上细胞的成神经分化标记物MAP2（microtubule-associated protein 2）表达显著上调；与此同时，他们还发现这种拓扑效应能够在加入诱导因子视黄酸时得到显著增强。Leong课题组后续的深入研究进一步表明在小的栅格结构上，细胞斑联蛋白（Zyxin，一种焦点黏附复合物的组成部分）的表达显著下调，由此他们推测很可能是小的栅格结构降低了人骨髓基质干细胞焦点黏附上的机械应力进而调控了干细胞的分化行为。此外，即使在没有诱导因子存在的条件下，Lee等发现0.4μm的凸嵴/凹槽图案结构依然能够快速而有效地促进人骨髓基质干细胞朝神经方向进行分化。

上述研究提示可以通过设计优化材料表面拓扑形貌的手段来帮助达到调控干细胞定向分化的目的。相关研究为生物材料的设计和组织再生医学的发展提供了积极的指导作用。

5.材料表面拓扑形貌对亚细胞结构如细胞核变形等行为的影响

近年来，随着拓扑形貌对细胞行为影响研究的进一步深入，科学家们开始逐渐关注拓扑结构是否对亚细胞结构亦能产生显著影响。十分有趣的是，Davidson和Anselme等发现SaOs-2（human osteosarcoma-derived cell）细胞在具有特定微米柱阵列的聚乳酸[poly（L-lactic acid），PLLA]表面发生了严重的核变形现象，但细胞的活性并未受到明显的影响。

复旦大学丁建东课题组的研究发现，骨髓基质干细胞在特定的PLGA微柱阵列上表现出了明显的核变形现象，进一步的细化研究表明干细胞在5μm高的柱子表面（正方形微米柱，边长3μm，间距6μm）变形最为明显（图2-7）。

上述研究结合其他相关报道综合表明，基底拓扑形貌的参数特征是影响细胞核是否变形及变形程度的重要因素，且细胞核的变形程度和过程有明显的细胞种类依赖性，在此不予详述。

那么，当细胞核形态在特定微米柱阵列表面发生严重的变形后，细胞的基因表达状态是否也会发生明显的改变呢？带着这一疑问，丁建东课题组以骨髓基质干细胞为模型细胞，考察了干细胞核变形后的成骨和成脂诱导分化行为。与平整膜上未发生核变形的干细胞相比，核变形后对应干细胞的黏附投影面积相对变小，但细胞的成骨分化却得到了加强，成脂分化有所减弱。该结果不能通过经典的干细胞铺展面积对其成骨成脂分化行为的影响趋势（大的铺展面积利于成骨分化，小的铺展面积利于成脂分化）予以解释，因而该研究提示细胞核自身的形貌特征很可能是一个独立的调控干细胞分化行为的因素。