人间充质干细胞分化的力学规律及组织工程应用

人间充质干细胞是一种具有多向分化及自我更新能力的成体干细胞,被视为理想的组织工程种子细胞。明确干细胞分化过程中的细胞力学变化有助于深入理解组织发育进程。为解决准确测量干细胞力学性质的实验需求,本研究采用了幂律黏弹性的建模策略,结合原子力显微镜缓慢加载测量技术,实现了各阶段干细胞力学参数的准确定量。基于此测量技术,本文系统分析了分化过程中干细胞力学性的变化规律。结果发现,在干细胞成骨及成软骨分化过程中,细胞的蠕变柔量及流变系数仅在早期逐步增强,而在成脂肪分化中,干细胞则在全程软化。基于此力学规律,本文提出了阶段性干预细胞微丝骨架蛋白以提高分化效率的骨组织工程调控策略,结合骨组织工程支架材料,最终实现了促进体内大范围骨缺损快速愈合的目标。通过本研究,明确了幂律黏弹性模型在细胞分化系列研究中的普适性,同时绘制了间充质干细胞谱系的发育生物学-细胞力学图谱。本研究结果对从力学角度理解细胞分化行为,以及组织工程材料的结构设计具有重要指导意义。