組織工程被認為是未來針對工程化組織缺損進行修復及功能性重建的有效手段之一。仿生生物支架為種子細胞的增殖分化和組織再生提供了理想的支持與空間，而這些支架的表面特性特別是表面納米拓撲結構成為決定植入能否成功的關鍵。間充質干細胞（MSC）被公認為理想的組織工程種子細胞，而納米拓撲結構可以調節 MSC 的細胞行為和分化潛能。本文綜述了近年來納米拓撲結構在 MSC 構建工程化組織中的應用與發展。
引用本文： 方未英, 顧婷玉, 劉毅, 徐蘭, 陳躍磊. 納米拓撲結構在間充質干細胞構建工程化組織中的應用與發展. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(1): 145-150. doi: 10.7507/1001-5515.201705077 復制
引言
多種原因導致的組織缺損或功能障礙是危害人類生命健康的主要原因。組織移植轉移和假體置換等傳統療法存在著諸如組織短缺、疾病傳播和生物相容性問題等缺點[1]。作為再生醫學的重要組成部分，組織工程可以避免“以創傷修復創傷”的傳統治療模式，展現出廣闊的應用前景。種子細胞、生物支架材料和組織構建是組織工程最基本的三大要素。應用于組織構建的生物支架材料必須與種子細胞有良好的親和性并能為種子細胞提供支撐，材料的表面特征尤其是納米拓撲結構是決定植入物在體表和體內大部分生物學反應的關鍵因素。作為組織工程的種子細胞來源，間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSC）具有多向分化的潛能，而納米拓撲結構可以調節 MSC 相關基因的表達并影響其細胞行為。因此，運用組織工程的方法利用納米拓撲結構引導 MSC 的增殖、分化和特定功能基因的表達就顯得尤為重要。近年來，研究人員利用納米材料開展包括皮膚、軟骨、骨、肌肉等多種組織的構建，取得了一系列重要進展。本文將著重介紹納米拓撲結構在 MSC 構建工程化組織中的應用和發展。
1 MSC 在組織工程中的優勢和應用
1.1 MSC 的特點
MSC 來源于發育早期的中胚層和外胚層，屬于多能干細胞。MSC 在體內或體外特定誘導條件下，可分化形成骨、軟骨、肌肉、脂肪、肌腱、神經、心肌、內皮等多種組織細胞，進行連續傳代培養和冷凍保存后仍具有多向分化潛能，且本身來源易獲得、易于分離，體外培養時擴增迅速，并具有免疫調節和自我更新能力。這些特點使得 MSC 成為組織工程和再生醫學研究中理想的種子細胞。
1.2 MSC 在組織工程中的應用
MSC 不僅能夠分化形成多種細胞類型，還能通過分泌細胞因子和趨化因子提供基質支持，參與修復因衰老和病變引起的組織損傷，促進細胞與移植組織的整合。MSC 在骨、軟骨、肝臟、肌腱、心臟等組織工程領域應用廣泛，可用于治療成骨不全、骨質疏松等骨骼系統疾病及修復損傷性關節軟骨。MSC 與生物支架復合使用，更有利于發揮其優勢，促進組織的修復和重建，在治療局部骨缺損方面很有前途。
2 納米拓撲結構在組織工程中的應用
2.1 納米材料和納米拓撲結構
納米材料指的是在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（即 1～100 nm）或由這個納米尺度范圍為基本單位組成的材料。納米拓撲結構特指納米尺度的拓撲結構，即在納米范圍內（通常為 1～100 nm，有時多達數百納米）材料表面的形貌特征[2]，包括納米凹槽、納米矩陣、納米島、納米點、納米孔、納米柱、納米管等。圖 1列舉了三種典型的納米拓撲結構。
圖1
三種典型的納米拓撲結構
Figure1.
Three basic nanotopography geometries
2.2 納米拓撲結構的制造方法
目前，支架材料表面納米拓撲結構的制造方法主要有四種：平板壓印、圖案轉移、表面粗化、材料合成。平板壓印和圖案轉移是利用預先確定好的圖案模型自上而下地在二維結構表面制造納米拓撲特征的兩種方法。與之相反，表面粗化和材料合成則利用化學或物理方法自下而上地在材料表面直接制造出納米拓撲結構。
平板壓印技術包括光刻技術、電子束光刻技術和膠體平板壓印。圖案轉移分為納米壓印和模塑復制。表面粗化指利用化學腐蝕、反應離子刻蝕和氣相沉淀加工生成隨機的納米拓撲結構。材料合成則包括不同的材料合成方法，如靜電紡絲、相分離、自組裝、陽極氧化和燒結都可以用于制造生物材料的納米拓撲結構[3]。
2.3 納米拓撲結構在構建工程化組織中的應用
復合材料形成的納米拓撲支架由于其良好的生物兼容性、延展性、熱穩定性，為種子細胞的黏附和增殖提供良好的兼容條件，在工程化組織的構建中應用廣泛。例如，納米羥基磷灰石/纖維素支架具有良好的熱穩定性和剛度，且支架的納米纖維能很好地模擬天然胞外基質，有效提高細胞的黏附和增殖能力，在骨組織工程中具有極大的發展潛能[4]；納米羥基磷灰石/殼聚糖支架的化學性能與天然骨組織、牙齒相類似，其表面的拓撲結構有效提高了堿性磷酸酶活性和骨結合能力，已被用于牙齒修復和骨組織工程[5-6]。與傳統支架相比，復合納米支架表面的軟骨細胞存活、增殖能力更強，有望成為鼻中隔軟骨的理想支架[7]。此外，具有多孔拓撲結構的銀/羥乙基纖維素支架憑借良好的可降解性、高吸水性和低毒性成為皮膚組織工程的理想材料[8]。具有納米凹槽結構的復合支架則能更好地模擬人體內的濕度環境，且具有良好的力學性能可以有效維持血管的收縮性，調節血管平滑肌細胞的應答反應，表現出作為血管支架的潛質[9]。
3 納米拓撲結構影響 MSC 細胞生物學行為的機制
MSC 作為組織工程的種子細胞，不僅接觸到培養液和所添加的生長因子，還能通過“接觸誘導”感應支架材料的拓撲結構。納米拓撲結構可以模仿細胞外基質的結構和生物功能，通過調節黏著斑連接和控制特定蛋白吸附等方式影響一系列細胞行為，包括細胞黏附、形態、增殖、遷移、基因表達、蛋白分泌、自我更新和分化等[2-3]。
3.1 調節黏著斑的連接
黏著斑通過整聯蛋白將細胞骨架、細胞核與胞外基質相連接。材料表面的納米拓撲結構形成的不同尺寸和間距，可以直接影響材料表面整聯蛋白的結構及聚合能力，進而影響黏著斑形成，改變黏著斑的排列和大小，調節黏著斑的連接。黏著斑引導肌動蛋白調整細胞骨架，細胞骨架將所感受到的力學信號傳導至細胞核，啟動染色體上相關基因表達，最終調控細胞黏附、生長及分化等行為[2, 10]。納米拓撲結構還能加強整聯蛋白和支架材料間的相互作用，提高細胞的伸展性，上調黏著斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）和細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）的表達，改變 FAK 的磷酸化水平和Ⅱ型肌球蛋白（myosin Ⅱ）的收縮性[11]。磷酸化的 FAK 能夠上調神經元標記物——微管相關蛋白 2（microtubule-associated protein-2，MAP-2）的表達，有利于 MSC 向神經元分化[10]。研究發現納米凸點矩陣結構的高度小于 70 nm 最利于黏著斑蛋白的聚集，當高度大于 70 nm 時，形成的黏著斑則處于非穩定狀態，并且抑制黏著斑的蛋白聚合[3, 12]，不利于 MSC 細胞的黏附、增殖、分化。
3.2 控制特定蛋白的吸附
支架材料與細胞接觸后，首先發生蛋白吸附現象，特定蛋白如纖連蛋白（fibronectin）、層連蛋白（laminin）、玻連蛋白（vitronectin）可以指導細胞骨架纖維的組裝，促進細胞黏附、增殖、遷移，控制細胞行為。相對于平滑的支架表面，納米拓撲結構支架能夠延長蛋白在其表面的停留時間，增加蛋白吸附面積，減少蛋白單體之間的距離，便于蛋白單體聚合。納米拓撲結構通過增加支架的表面積、增大表面的粗糙度、改變支架材料的親水性來提高這些特定蛋白的吸附能力，但對白蛋白（albumin）和纖維蛋白原（fibrinogen）的吸附沒有影響[2]。普遍認為只有當納米拓撲結構的尺寸與特定蛋白大小相似、接近 10 nm 時，才會影響相關蛋白的活性，促進細胞黏附和增殖，如改變纖連蛋白的空間結構，調節成骨細胞的黏附能力[13]。除納米拓撲結構之外，支架材料的理化特性（包括硬度、剛度、熱穩定性、生物相容性等特性）也可以影響支架表面特定蛋白的聚合，進而調控 MSC 的多種細胞行為和分化方向。反之，當材料表面的化學性質和親水性發生改變時，拓撲結構將會失去對蛋白吸附的調節作用，無法參與調控 MSC 的各項細胞行為[2]。
4 納米拓撲結構引導 MSC 在構建工程化組織中的應用
4.1 骨
由于骨感染、骨腫瘤和骨損傷等骨骼疾病多發，而自體骨組織來源有限，造成骨來源大量缺乏。與傳統材料相比，納米材料的仿生特性和優異的理化性能更有利于細胞黏附，刺激新骨生長，在重塑骨組織過程中起著重要作用。
細胞在組織支架中的生長形態受支架結構的影響，而細胞的形態會影響分化方向，如 MSC 呈扁平狀鋪展開時會分化成成骨細胞[14]。黏著斑的數量、排列順序和支架表面拓撲結構的對稱性、尺寸大小都可以影響 MSC 的增殖和成骨分化[15-17]。支架材料的納米坑矩陣結構的對稱性和排列順序對 MSC 表達特定成骨蛋白[包括骨鈣蛋白（osteocalcin）和骨橋蛋白（osteopontin）]有重要作用[16]。不同直徑的納米凸點矩陣結構和納米管結構對 MSC 的形態、增殖、成骨分化都有影響[15, 17]。經過拉伸的納米孔結構能夠引起 MSC 細胞骨架改變，高表達成骨基因并激活 Smad 信號通路和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路[18]。而納米凹槽的表面結構本身雖然并不能直接誘導 MSC 分化為成骨細胞，但可以在其分化過程中提供支撐媒介，改變 MSC 細胞的形態，使其更易分化為成骨細胞[19]。
此外，生物活性材料與納米拓撲結構聯合應用對 MSC 的附著、增殖和分化有促進作用。比如，覆蓋有生物活性涂層的納米島結構表面可為 MSC 附著和增殖提供很好的支撐，顯著促進 MSC 成骨分化，表達多個成骨關鍵基因[20]。
4.2 軟骨
關節軟骨損傷后自我修復能力有限，且容易發展為骨關節炎。盡早進行干預可以預防創傷性軟骨損傷發展為軟骨退化和骨關節炎，有效減少醫療成本和患者痛苦。因此，納米拓撲結構引導 MSC 用于治療軟骨創傷以及膝蓋、腳踝和骨關節的軟骨缺損具有很好的臨床應用前景[21-22]。
有研究證明，圓潤、球形的 MSC 形態可以增加軟骨相關基因及蛋白的表達，加快軟骨的形成率[23]。使用垂直于納米纖維的微流體對 MSC 進行刺激，能使 MSC 具有圓潤的形態，有利于 MSC 在軟骨分化中纖維軟骨的增生[24]。然而，MSC 對材料表面的納米拓撲結構很敏感，在不同的納米結構上表現出不同的形態學、增殖和軟骨形成能力。例如，納米柱和納米孔可以提高 MSC 軟骨分化能力，促進透明軟骨的形成，而納米凹槽則會延遲軟骨形成[25]。MSC 的分化方向對不同的納米拓撲結構具有傾向性：在成脂誘導條件下，MSC 在聚己內酯納米絲表面的脂肪分化能力強于在相同材料光滑表面的成脂能力；但在成軟骨誘導條件下，MSC 在光滑表面的軟骨分化能力卻更強[26]。這些研究提示并不是所有類型的納米拓撲結構都能促進 MSC 向特定方向分化，還需要進一步的研究。
4.3 皮膚
每年，臨床上需要大量的皮膚用于燒傷治療和整形美容，然而皮膚自身的修復能力有限，于是皮膚組織工程應運而生。MSC 具有分化為上皮細胞的能力，可以幫助、改善皮膚的愈合和再生，在治療皮膚創傷特別是慢性、難愈性傷口中已取得一定的成果。在其治療骨創傷時也證明它可以加速傷口閉合、上皮修復和血管結構再生[27]。MSC 整合到一個模仿天然皮膚微環境和細胞外基質的納米纖維支架上，可以提高皮膚修復或再生的機會[28]。有研究表明，MSC 在納米凹槽拓撲結構上遷移到受損細胞部位的速度快于二維平面培養，且 MSC 遷移的速度與納米凹槽的密度成正比，但增殖速度與其在二維平面培養時無明顯差異[29]。
研究發現具有多孔網格結構的超細納米纖維可以產生類似于天然皮膚胞外基質的納米拓撲結構。因此，目前很多研究集中在電紡絲納米纖維在皮膚組織工程上的應用[28, 30]。納米纖維可以增強 MSC 與支架材料的相互作用，更好地誘導 MSC 定向分化成表皮細胞[31]。這些研究的深入為重建皮膚組織工程提供了參考和指導作用。
4.4 肌肉
人類所有運動都需要肌肉組織的參與，由于疾病、運動等原因造成的肌肉組織損傷嚴重影響著患者的日常生活。肌肉組織工程的發展為克服自體肌肉組織來源有限和提高肌肉再生能力提供了一個有效的選擇。在組織支架的表面引入尺寸適宜的拓撲結構，能使細胞產生特異性應答。研究發現具有單一高度納米界面和不同高度納米界面混合排列的納米凹槽結構都可以提高 MSC 的增殖能力，并誘導 MSC 分化成具有收縮性的平滑肌細胞，還可以促進內皮細胞黏附和增殖[31]。
由于納米纖維支架表面的多孔結構能更好地促進細胞滲入，減少宿主應答反應，在重建肌肉組織中也多有應用。納米纖維可以調控肌動蛋白和 MSC 的細胞核形態，在沒有水溶性誘導因子的情況下引導 MSC 向心肌細胞分化[3]。Moghadasi 等[32]將轉錄生長因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）密封于嵌入納米纖維的納米顆粒內，納米纖維的表面拓撲結構可以使 TGF-β1 持續緩慢釋放，兩者協同作用，提高 MSC 分化成為平滑肌細胞的能力，增強平滑肌標志分子α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）和結蛋白（desmin）的表達。這些研究為重新恢復因疾病、衰老而衰退的肌肉組織功能提供了希望。
5 討論和展望
納米技術和納米材料加工方法的快速發展使得支架材料表面的納米拓撲結構尺寸和形狀更為精密，生物相容性更好。大多數納米拓撲結構更傾向于引導 MSC 向單一方向分化。然而，某些納米拓撲結構卻存在著廣譜作用。例如，納米凹槽結構有利于 MSC 向成骨、平滑肌方向分化，且能提高 MSC 在其表面的遷移速度。由高分子復合材料形成的納米島結構不但可以誘導 MSC 向成骨、軟骨、脂肪等多種方向分化，而且還能有效刺激細胞增殖和促進組織再生[33]。探索其中的機制將為相關納米拓撲結構支架日后進入臨床應用階段提供理論基礎。
大多數的研究結果表明各種納米拓撲結構對 MSC 生長和分化有積極作用。然而，也有證據顯示某些類型的納米拓撲結構可能對機體產生不良反應。例如，納米凹槽不利于 MSC 分化為軟骨細胞，也不適用于軟骨修復或再生。另外，隨著植入體內的時間延長，納米材料會發生腐蝕并在植入物附近釋放出納米顆粒。由于這些顆粒粒子的表面特性，會吸附它們附近的大分子，導致納米顆粒表面性能發生改變，對細胞形態、黏附、增殖和分化造成毒副作用[27]。此外，納米拓撲結構在諸如心臟、腎臟、膀胱等復雜器官中的應用潛能仍然缺乏大規模的研究。
今后，科學家們將致力于開發具有精密納米拓撲結構的材料引導 MSC 向更復雜的組織、器官分化，并對被腐蝕的納米拓撲結構表面釋放的納米顆粒的毒性和納米拓撲結構的廣譜作用進行更為全面的分析和探索。相信納米拓撲支架將為新一代功能性組織、器官的發展打開大門，更好地造福于人類。
引言
多種原因導致的組織缺損或功能障礙是危害人類生命健康的主要原因。組織移植轉移和假體置換等傳統療法存在著諸如組織短缺、疾病傳播和生物相容性問題等缺點[1]。作為再生醫學的重要組成部分，組織工程可以避免“以創傷修復創傷”的傳統治療模式，展現出廣闊的應用前景。種子細胞、生物支架材料和組織構建是組織工程最基本的三大要素。應用于組織構建的生物支架材料必須與種子細胞有良好的親和性并能為種子細胞提供支撐，材料的表面特征尤其是納米拓撲結構是決定植入物在體表和體內大部分生物學反應的關鍵因素。作為組織工程的種子細胞來源，間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSC）具有多向分化的潛能，而納米拓撲結構可以調節 MSC 相關基因的表達并影響其細胞行為。因此，運用組織工程的方法利用納米拓撲結構引導 MSC 的增殖、分化和特定功能基因的表達就顯得尤為重要。近年來，研究人員利用納米材料開展包括皮膚、軟骨、骨、肌肉等多種組織的構建，取得了一系列重要進展。本文將著重介紹納米拓撲結構在 MSC 構建工程化組織中的應用和發展。
1 MSC 在組織工程中的優勢和應用
1.1 MSC 的特點
MSC 來源于發育早期的中胚層和外胚層，屬于多能干細胞。MSC 在體內或體外特定誘導條件下，可分化形成骨、軟骨、肌肉、脂肪、肌腱、神經、心肌、內皮等多種組織細胞，進行連續傳代培養和冷凍保存后仍具有多向分化潛能，且本身來源易獲得、易于分離，體外培養時擴增迅速，并具有免疫調節和自我更新能力。這些特點使得 MSC 成為組織工程和再生醫學研究中理想的種子細胞。
1.2 MSC 在組織工程中的應用
MSC 不僅能夠分化形成多種細胞類型，還能通過分泌細胞因子和趨化因子提供基質支持，參與修復因衰老和病變引起的組織損傷，促進細胞與移植組織的整合。MSC 在骨、軟骨、肝臟、肌腱、心臟等組織工程領域應用廣泛，可用于治療成骨不全、骨質疏松等骨骼系統疾病及修復損傷性關節軟骨。MSC 與生物支架復合使用，更有利于發揮其優勢，促進組織的修復和重建，在治療局部骨缺損方面很有前途。
2 納米拓撲結構在組織工程中的應用
2.1 納米材料和納米拓撲結構
納米材料指的是在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（即 1～100 nm）或由這個納米尺度范圍為基本單位組成的材料。納米拓撲結構特指納米尺度的拓撲結構，即在納米范圍內（通常為 1～100 nm，有時多達數百納米）材料表面的形貌特征[2]，包括納米凹槽、納米矩陣、納米島、納米點、納米孔、納米柱、納米管等。圖 1列舉了三種典型的納米拓撲結構。
圖1
三種典型的納米拓撲結構
Figure1.
Three basic nanotopography geometries
2.2 納米拓撲結構的制造方法
目前，支架材料表面納米拓撲結構的制造方法主要有四種：平板壓印、圖案轉移、表面粗化、材料合成。平板壓印和圖案轉移是利用預先確定好的圖案模型自上而下地在二維結構表面制造納米拓撲特征的兩種方法。與之相反，表面粗化和材料合成則利用化學或物理方法自下而上地在材料表面直接制造出納米拓撲結構。
平板壓印技術包括光刻技術、電子束光刻技術和膠體平板壓印。圖案轉移分為納米壓印和模塑復制。表面粗化指利用化學腐蝕、反應離子刻蝕和氣相沉淀加工生成隨機的納米拓撲結構。材料合成則包括不同的材料合成方法，如靜電紡絲、相分離、自組裝、陽極氧化和燒結都可以用于制造生物材料的納米拓撲結構[3]。
2.3 納米拓撲結構在構建工程化組織中的應用
復合材料形成的納米拓撲支架由于其良好的生物兼容性、延展性、熱穩定性，為種子細胞的黏附和增殖提供良好的兼容條件，在工程化組織的構建中應用廣泛。例如，納米羥基磷灰石/纖維素支架具有良好的熱穩定性和剛度，且支架的納米纖維能很好地模擬天然胞外基質，有效提高細胞的黏附和增殖能力，在骨組織工程中具有極大的發展潛能[4]；納米羥基磷灰石/殼聚糖支架的化學性能與天然骨組織、牙齒相類似，其表面的拓撲結構有效提高了堿性磷酸酶活性和骨結合能力，已被用于牙齒修復和骨組織工程[5-6]。與傳統支架相比，復合納米支架表面的軟骨細胞存活、增殖能力更強，有望成為鼻中隔軟骨的理想支架[7]。此外，具有多孔拓撲結構的銀/羥乙基纖維素支架憑借良好的可降解性、高吸水性和低毒性成為皮膚組織工程的理想材料[8]。具有納米凹槽結構的復合支架則能更好地模擬人體內的濕度環境，且具有良好的力學性能可以有效維持血管的收縮性，調節血管平滑肌細胞的應答反應，表現出作為血管支架的潛質[9]。
3 納米拓撲結構影響 MSC 細胞生物學行為的機制
MSC 作為組織工程的種子細胞，不僅接觸到培養液和所添加的生長因子，還能通過“接觸誘導”感應支架材料的拓撲結構。納米拓撲結構可以模仿細胞外基質的結構和生物功能，通過調節黏著斑連接和控制特定蛋白吸附等方式影響一系列細胞行為，包括細胞黏附、形態、增殖、遷移、基因表達、蛋白分泌、自我更新和分化等[2-3]。
3.1 調節黏著斑的連接
黏著斑通過整聯蛋白將細胞骨架、細胞核與胞外基質相連接。材料表面的納米拓撲結構形成的不同尺寸和間距，可以直接影響材料表面整聯蛋白的結構及聚合能力，進而影響黏著斑形成，改變黏著斑的排列和大小，調節黏著斑的連接。黏著斑引導肌動蛋白調整細胞骨架，細胞骨架將所感受到的力學信號傳導至細胞核，啟動染色體上相關基因表達，最終調控細胞黏附、生長及分化等行為[2, 10]。納米拓撲結構還能加強整聯蛋白和支架材料間的相互作用，提高細胞的伸展性，上調黏著斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）和細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）的表達，改變 FAK 的磷酸化水平和Ⅱ型肌球蛋白（myosin Ⅱ）的收縮性[11]。磷酸化的 FAK 能夠上調神經元標記物——微管相關蛋白 2（microtubule-associated protein-2，MAP-2）的表達，有利于 MSC 向神經元分化[10]。研究發現納米凸點矩陣結構的高度小于 70 nm 最利于黏著斑蛋白的聚集，當高度大于 70 nm 時，形成的黏著斑則處于非穩定狀態，并且抑制黏著斑的蛋白聚合[3, 12]，不利于 MSC 細胞的黏附、增殖、分化。
3.2 控制特定蛋白的吸附
支架材料與細胞接觸后，首先發生蛋白吸附現象，特定蛋白如纖連蛋白（fibronectin）、層連蛋白（laminin）、玻連蛋白（vitronectin）可以指導細胞骨架纖維的組裝，促進細胞黏附、增殖、遷移，控制細胞行為。相對于平滑的支架表面，納米拓撲結構支架能夠延長蛋白在其表面的停留時間，增加蛋白吸附面積，減少蛋白單體之間的距離，便于蛋白單體聚合。納米拓撲結構通過增加支架的表面積、增大表面的粗糙度、改變支架材料的親水性來提高這些特定蛋白的吸附能力，但對白蛋白（albumin）和纖維蛋白原（fibrinogen）的吸附沒有影響[2]。普遍認為只有當納米拓撲結構的尺寸與特定蛋白大小相似、接近 10 nm 時，才會影響相關蛋白的活性，促進細胞黏附和增殖，如改變纖連蛋白的空間結構，調節成骨細胞的黏附能力[13]。除納米拓撲結構之外，支架材料的理化特性（包括硬度、剛度、熱穩定性、生物相容性等特性）也可以影響支架表面特定蛋白的聚合，進而調控 MSC 的多種細胞行為和分化方向。反之，當材料表面的化學性質和親水性發生改變時，拓撲結構將會失去對蛋白吸附的調節作用，無法參與調控 MSC 的各項細胞行為[2]。
4 納米拓撲結構引導 MSC 在構建工程化組織中的應用
4.1 骨
由于骨感染、骨腫瘤和骨損傷等骨骼疾病多發，而自體骨組織來源有限，造成骨來源大量缺乏。與傳統材料相比，納米材料的仿生特性和優異的理化性能更有利于細胞黏附，刺激新骨生長，在重塑骨組織過程中起著重要作用。
細胞在組織支架中的生長形態受支架結構的影響，而細胞的形態會影響分化方向，如 MSC 呈扁平狀鋪展開時會分化成成骨細胞[14]。黏著斑的數量、排列順序和支架表面拓撲結構的對稱性、尺寸大小都可以影響 MSC 的增殖和成骨分化[15-17]。支架材料的納米坑矩陣結構的對稱性和排列順序對 MSC 表達特定成骨蛋白[包括骨鈣蛋白（osteocalcin）和骨橋蛋白（osteopontin）]有重要作用[16]。不同直徑的納米凸點矩陣結構和納米管結構對 MSC 的形態、增殖、成骨分化都有影響[15, 17]。經過拉伸的納米孔結構能夠引起 MSC 細胞骨架改變，高表達成骨基因并激活 Smad 信號通路和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路[18]。而納米凹槽的表面結構本身雖然并不能直接誘導 MSC 分化為成骨細胞，但可以在其分化過程中提供支撐媒介，改變 MSC 細胞的形態，使其更易分化為成骨細胞[19]。
此外，生物活性材料與納米拓撲結構聯合應用對 MSC 的附著、增殖和分化有促進作用。比如，覆蓋有生物活性涂層的納米島結構表面可為 MSC 附著和增殖提供很好的支撐，顯著促進 MSC 成骨分化，表達多個成骨關鍵基因[20]。
4.2 軟骨
關節軟骨損傷后自我修復能力有限，且容易發展為骨關節炎。盡早進行干預可以預防創傷性軟骨損傷發展為軟骨退化和骨關節炎，有效減少醫療成本和患者痛苦。因此，納米拓撲結構引導 MSC 用于治療軟骨創傷以及膝蓋、腳踝和骨關節的軟骨缺損具有很好的臨床應用前景[21-22]。
有研究證明，圓潤、球形的 MSC 形態可以增加軟骨相關基因及蛋白的表達，加快軟骨的形成率[23]。使用垂直于納米纖維的微流體對 MSC 進行刺激，能使 MSC 具有圓潤的形態，有利于 MSC 在軟骨分化中纖維軟骨的增生[24]。然而，MSC 對材料表面的納米拓撲結構很敏感，在不同的納米結構上表現出不同的形態學、增殖和軟骨形成能力。例如，納米柱和納米孔可以提高 MSC 軟骨分化能力，促進透明軟骨的形成，而納米凹槽則會延遲軟骨形成[25]。MSC 的分化方向對不同的納米拓撲結構具有傾向性：在成脂誘導條件下，MSC 在聚己內酯納米絲表面的脂肪分化能力強于在相同材料光滑表面的成脂能力；但在成軟骨誘導條件下，MSC 在光滑表面的軟骨分化能力卻更強[26]。這些研究提示并不是所有類型的納米拓撲結構都能促進 MSC 向特定方向分化，還需要進一步的研究。
4.3 皮膚
每年，臨床上需要大量的皮膚用于燒傷治療和整形美容，然而皮膚自身的修復能力有限，于是皮膚組織工程應運而生。MSC 具有分化為上皮細胞的能力，可以幫助、改善皮膚的愈合和再生，在治療皮膚創傷特別是慢性、難愈性傷口中已取得一定的成果。在其治療骨創傷時也證明它可以加速傷口閉合、上皮修復和血管結構再生[27]。MSC 整合到一個模仿天然皮膚微環境和細胞外基質的納米纖維支架上，可以提高皮膚修復或再生的機會[28]。有研究表明，MSC 在納米凹槽拓撲結構上遷移到受損細胞部位的速度快于二維平面培養，且 MSC 遷移的速度與納米凹槽的密度成正比，但增殖速度與其在二維平面培養時無明顯差異[29]。
研究發現具有多孔網格結構的超細納米纖維可以產生類似于天然皮膚胞外基質的納米拓撲結構。因此，目前很多研究集中在電紡絲納米纖維在皮膚組織工程上的應用[28, 30]。納米纖維可以增強 MSC 與支架材料的相互作用，更好地誘導 MSC 定向分化成表皮細胞[31]。這些研究的深入為重建皮膚組織工程提供了參考和指導作用。
4.4 肌肉
人類所有運動都需要肌肉組織的參與，由于疾病、運動等原因造成的肌肉組織損傷嚴重影響著患者的日常生活。肌肉組織工程的發展為克服自體肌肉組織來源有限和提高肌肉再生能力提供了一個有效的選擇。在組織支架的表面引入尺寸適宜的拓撲結構，能使細胞產生特異性應答。研究發現具有單一高度納米界面和不同高度納米界面混合排列的納米凹槽結構都可以提高 MSC 的增殖能力，并誘導 MSC 分化成具有收縮性的平滑肌細胞，還可以促進內皮細胞黏附和增殖[31]。
由于納米纖維支架表面的多孔結構能更好地促進細胞滲入，減少宿主應答反應，在重建肌肉組織中也多有應用。納米纖維可以調控肌動蛋白和 MSC 的細胞核形態，在沒有水溶性誘導因子的情況下引導 MSC 向心肌細胞分化[3]。Moghadasi 等[32]將轉錄生長因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）密封于嵌入納米纖維的納米顆粒內，納米纖維的表面拓撲結構可以使 TGF-β1 持續緩慢釋放，兩者協同作用，提高 MSC 分化成為平滑肌細胞的能力，增強平滑肌標志分子α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）和結蛋白（desmin）的表達。這些研究為重新恢復因疾病、衰老而衰退的肌肉組織功能提供了希望。
5 討論和展望
納米技術和納米材料加工方法的快速發展使得支架材料表面的納米拓撲結構尺寸和形狀更為精密，生物相容性更好。大多數納米拓撲結構更傾向于引導 MSC 向單一方向分化。然而，某些納米拓撲結構卻存在著廣譜作用。例如，納米凹槽結構有利于 MSC 向成骨、平滑肌方向分化，且能提高 MSC 在其表面的遷移速度。由高分子復合材料形成的納米島結構不但可以誘導 MSC 向成骨、軟骨、脂肪等多種方向分化，而且還能有效刺激細胞增殖和促進組織再生[33]。探索其中的機制將為相關納米拓撲結構支架日后進入臨床應用階段提供理論基礎。
大多數的研究結果表明各種納米拓撲結構對 MSC 生長和分化有積極作用。然而，也有證據顯示某些類型的納米拓撲結構可能對機體產生不良反應。例如，納米凹槽不利于 MSC 分化為軟骨細胞，也不適用于軟骨修復或再生。另外，隨著植入體內的時間延長，納米材料會發生腐蝕并在植入物附近釋放出納米顆粒。由于這些顆粒粒子的表面特性，會吸附它們附近的大分子，導致納米顆粒表面性能發生改變，對細胞形態、黏附、增殖和分化造成毒副作用[27]。此外，納米拓撲結構在諸如心臟、腎臟、膀胱等復雜器官中的應用潛能仍然缺乏大規模的研究。
今后，科學家們將致力于開發具有精密納米拓撲結構的材料引導 MSC 向更復雜的組織、器官分化，并對被腐蝕的納米拓撲結構表面釋放的納米顆粒的毒性和納米拓撲結構的廣譜作用進行更為全面的分析和探索。相信納米拓撲支架將為新一代功能性組織、器官的發展打開大門，更好地造福于人類。
