細胞在生物材料表面的粘附及影響粘附的因素

李湖燕細胞與材料的相互作用是組織工程領域研究的重點領域之一，細胞必須首先與材料粘附（adhere），才能進行下一步的遷移(migration)、分化(differentiation)和增殖(proliferation)。生物識別（biorecognition）細胞膜表面的受體（receptor）——細胞外與其相對應的信號分子配體（ligand）細胞表面：細胞膜外層的寡糖外被、磷脂雙份子層細胞膜、表層溶膠細胞粘附分子（adhesionmolecules）存在于細胞表面，參與細胞與細胞、細胞與細胞外基質的粘附連接的跨膜糖蛋白或糖脂種類：鈣粘素（cadherins）、整合素(integrins)、免疫球蛋白超分子家族、透明質酸粘素、選擇素整合素：特異性粘附分子異二聚體，16種α亞單位，7種β亞單位目前有24種整合素能特異性識別配體分子中的特定氨基酸序列ECM:主要成分為膠原（collegen）、長纖維結構、賦予ECM彈性及拉伸強度纖連蛋白（fibronectin）與細胞及ECM的粘附相關蛋白聚糖（proteoglycan）結合水分、限制分子在基體中的運動等層粘連蛋白（laminin）細胞外基質（extracellularmatrix,ECM）由細胞分泌到細胞外的各種大分子復合體，在細胞周圍形成復雜的網狀結構，ECM的成分及組織形式由所產生的細胞決定。配體（ligand）特定的氨基酸序列RGD序列（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）序列細胞與細胞外基質的相互作用——粘著斑（focaladhesions,FAs）粘著斑是細胞與周圍介質表面最主要的結合方式，是一個大分子復合體（proteincomplexes），連接著細胞骨架(cytoskeleton)和細胞外基質(ECM)。作用一：機械連接（anchoringthecell），作用二：信號傳導（transmittingsignals）基質表面與細胞膜的距離10-15nm粘著斑外表面：整合素等受體蛋白粘著斑內表面：踝蛋白(talin)樁蛋白(paxillin)粘著斑蛋白(vinculin)張力蛋白（tensin）粘著斑激酶（focaladhesionkinase）這些蛋白與細胞骨架中的肌動蛋白（actin）相互作用，維持細胞形態和粘附信號傳遞粘著斑的另一個重要作用是信號傳遞功能。當粘著斑形成后，粘著斑胞內部分質膜下的絡氨酸激酶（tyrosinekinase,Src）被活化，活化后的絡氨酸激酶使粘著斑激酶(focaladhesionkinase)的絡氨酸殘基磷酸化，并通過一系列的化學反應，傳遞促生長信號到細胞核，激活涉及與細胞生長和增殖相關的基因轉錄。同時磷酸化還會導致向核糖體傳遞促生長信號，促使核糖體翻譯某些特定的InRNA，合成細胞分裂所需要的蛋白質。這些信號對細胞的生長、遷移、分化乃至生存具有深遠的影響。細胞是如何在基體表面移動（migration）的？粘著斑不是靜態的，而是不斷形成、不斷消失的動態復合物，細胞在移動過程中，粘著斑的組成和形態都在發生變化。細胞的遷移是細胞前端不斷形成新粘著斑，和細胞后端不斷解離粘著斑的結果。初始形成的粘著斑（focalcomplex）約0.25μ㎡，所結合的蛋白較少。成熟穩定的粘著斑(focaladhesion)結合較多的蛋白。http://www.reading.ac.uk/cellmigration/migration.htm細胞在生物材料表面的粘附生物材料在與生理環境相接觸時，首先到達材料表面的是水分子，其次是蛋白質分子，最后是細胞到達材料表面。血液、組織液以及含有血清的培養基中含有多種水溶性的粘附蛋白，細胞表面的整聯蛋白和生物材料表面的粘附蛋白相互作用，使細胞粘附在生物材料表面表面形貌（topography）材料表面形貌影響細胞行為的機理與粘著斑的形成及其所介導的信號傳遞有關，當細胞膜表面與材料表面之間形成粘著斑時，材料的表面形貌在細胞骨架中產生的應力或應變信號被細胞內的某些受體所感應，使得這一些受體被激活，進一步引起細胞骨架的重新組織.1.Exploringandengineeringthecellsurfaceinterface.MollyM.StevensJulianH.George2.Dalby,M.J.,etal.,Nat.Mater.(2007)6,997親疏水性（Hydrophilicity/Hydrophobicity）Vogler認為，蛋白質分子在生物材料表面的吸附直接受水分子在材料表面的聚集形態影響，純水中，水分子通過氫鍵自組合（self-association）成氫鍵網狀結構。疏水材料表面無法與周圍水分子形成氫鍵，水分子在疏水表面會自組合形成疏松的、網狀結構。而親水表面會與周圍水分子競爭形成氫鍵，從而破壞了水分子的網狀結構，水分子會在親水表面采取一種無序的、致密的結構排列。在<100nm范圍內，兩個疏水表面之間存在有吸引力，而兩個親水表面存在有排斥力。蛋白質既含有疏水的鏈段，又含有親水的鏈段。在水溶液中，蛋白質分子采取親水段向外而疏水段向內的天然構象。蛋白質周圍存在有致密的水化層。Structureandreactivityofwateratbiomaterialsurfaces.E.A.Vogler親疏水性（Hydrophilicity/Hydrophobicity）親水性很強的表面不利于蛋白質的吸附，從而不利于細胞的粘附。強疏水性的表面:非粘附蛋白(如白蛋白)在材料表面的吸附阻礙了粘附蛋白的吸附;一方面，吸附在高疏水材料表面的粘附蛋白由于吸附行為不可逆，其分子鏈的天然構象遭到破壞，致使蛋白質分子鏈中與細胞膜表面整合合素相結合的活性位點(RGD)無法完全暴露，也不利于細胞的粘附;Cell‐surfaceinteractionsofrattoothgermcellsonvariousbiomaterials.JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartA.表面基團(fanctionalgroup)許多研究認為羥基、羧基等含氧基團的引入可調節材料表面的親水性而促進細胞的粘附與生長;磺酸基團則能模擬肝素的生理活性而顯示出較好的細胞相容性質;而胺基等含氮基團的引入不僅能調節材料表面的親疏水性，而且能使材料表面帶上一定的正電荷(胺的陽離子化)，并且可以與蛋白質鏈發生官能團之間的作用。從多角度來促進細胞的生長，具有最佳的細胞相容性，因此引入含氮基團的單體或聚合物已成為促進細胞生長材料表面改性的一個重要措施。Effectsofsurfacefunctionalgroupsonproteinadsorptionandsubsequent

celladhesionusingself-assembledmonolayersYusukeArim,HirooIwata.表面電負性(surfacecharge)Baldwin等認為表面電荷和離子化基因影響細胞的粘附和生長的本質在于，各種粘附蛋白如層粘連蛋白、纖維粘連蛋白和NGF等生長因子能被選擇性地吸附在帶電區域，從而調節細胞與表面之間的粘附。Intera