Small Methods: 基于超浸润表面工程的细胞粘附调控

生物体内组织细胞赖以存在动态液体环境使研究人员在设计生物材料和相关器件时都需要考虑材料表面的浸润性能。可调控的浸润表面或图形化表面已成为精细调控细胞粘附、扩散、增殖、分化和凋亡等行为的独特平台。其中特别是超浸润特性,作为浸润性的极端状态,水滴可以保持球状或完全扩散,这对于仿生构建生物体内液体微环境至关重要。更重要的是,粘附作为细胞履行其生物功能的第一步(特别是免疫细胞)是一个在限域的动态液态环境中“活”的滚动过程。人体内部复杂的液体环境不可避免地会阻碍医疗器械的一些功能,增加风险和并发症的发生几率。因此,从超浸润性的角度考虑设计生物材料,可以更好地研究生物液体环境,调节细胞的相关生物学行为,有利于生物材料和生物医学的交叉发展。  

通过对近十年来细胞在超浸润工程表面上的粘附研究分析,中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室的王树涛研究员和吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的宋文龙教授一起总结了基于超浸润工程表面的细胞粘附研究工作进展,主要涉及表面超浸润特性基础理论,细胞或蛋白在超浸润表面的粘附机制和相关生物应用,如用于细胞捕获/粘附的可逆浸润表面;用于细胞阵列/聚集的超浸润图形化表面,用于抗血小板粘附的超浸润表面,以及作为抗菌材料的超浸润表面等。在此基础上,还总结出基于超浸润特性的生物应用设计原则,如i) 具有“荷叶效应”或“受限空气”的超疏水表面可以用于抗粘材料设计;ii) 超亲水表面的抗粘附性能通常源于表面结构或化学上的水化层;iii) 在保持表面超浸润性的前提下,当环境发生变化(如外力、pH值等)时,会干扰生物物体(蛋白质、细胞、细菌)的粘附;iv) 表面浸润性的动态变化会改变生物的粘附和抗粘附状态。然而,在体内动态液体环境中存在太多的组织或器官表面/界面,如毛发、眼睛、皮肤、舌头、肺、关节、血管和肾脏等,都与超浸润特性密切相关。同时,由于蛋白质、细胞和细菌的复杂性,其粘附机制仍有许多不明确之处和亟待解决的科学问题,如i) 蛋白质吸附的基本机制仍然需要进一步深入研究,包括吸附过程中蛋白可能的构象变化和如何量化这种相互作用力;ii) 从细胞的角度进一步研究细胞对表面浸润性的“喜欢”或“不喜欢”,包括焦点粘附的形成、细胞骨架的调节、信号转导和细胞凋亡等;iii) 蛋白或细胞粘附后的材料污染和再利用。作为一篇展望,作者指出表面超浸润特性刚刚开始展示出其在生物学上的巨大应用潜力,将为组织工程、可植入设备、生物传感器、药物筛选和癌症诊断等提供了巨大的帮助。相关论文以“Superwettable Surface Engineering in Controlling Cell Adhesion for Emerging Bioapplications”为题发表在Small Methods上(DOI:10.1002/smtd.202000573)。