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  利用有序的材料結構引導細胞取向生長是組織工程領域一項重要的策略。細胞的取向生長可以顯著改變細胞的黏附、增殖、遷移和分化行為，尤其是干細胞的定向分化。然而，材料和細胞之間缺乏有效的通訊方式，材料與細胞等生物元件的界面的親和性差，因此調控材料的細胞親和性和增加細胞生長的有序性是此領域重要的研究課題。雖然利用有序的材料圖案基底可以獲得某些細胞取向生長的結果，但當今多數接觸引導技術，如光刻蝕技術和自組裝技術，存在價格昂貴，過程繁雜，條件嚴苛，需要專用的儀器，結果不能夠重復的問題，制約了這項技術的實際應用。

  暨南大學劉明賢教授團隊針對3D打印聚乳酸材料不能夠較好地引導細胞取向生長的問題，提出了一種新穎的策略。相關成果以“Halloysite nanotubes coated 3D printed PLA pattern for guiding human mesenchymal stem cells (hMSCs) orientation”為題，發表于化工材料領域著名期刊《Chemical Engineering Journal》上。該論文結合聚乳酸的3D打印技術、生物粘附劑多巴胺界面改性技術并采用自然界中廣泛存在的天然礦物埃洛石納米管的良好的細胞黏附性，實現了適合細胞取向生長的接觸引導材料的大面積高效制備。

埃洛石納米涂層改性的3D打印聚乳酸細胞引導材料制備流程圖

  在這項研究中，通過將3D打印的聚乳酸（PLA）圖案浸入多巴胺和埃洛石納米管（HNTs）溶液中來改善細胞取向的能力，制備了具有不同條紋寬度的HNTs涂覆的3D打印PLA基質圖案。研究發現，通過調整3D打印參數，可以方便地獲得具有不同條紋寬度(0.05~0.3 mm)的PLA規則圖案。在多巴胺聚合成為聚多巴胺（PDA）后，一層PDA @HNTs雜化涂層均勻涂覆在PLA圖案表面，并且和基底的結合力牢固。不同條紋寬度的3D打印PLA圖案能夠不同程度地誘導成骨細胞和干細胞取向生長。隨著條紋寬度的減小，細胞取向角分布變窄。當條紋寬度為0.05 mm時，細胞取向角接近0°，而空白對照組則具有-90°至90°范圍內的大的細胞取向角。隨著PLA條紋寬度的減小，細胞的平均取向角減小。0.05 mm HNTs涂覆的PLA圖案的平均取向角最低達到2.49°，這是因為細胞在擴散過程中受到基質幾何圖案的限制，迫使細胞偽足只沿PLA條紋方向生長。PDA@HNTs涂層改善了聚乳酸材料的粗糙度和親水性，0.05 mm寬度的PLA條紋圖案平均水接觸角從67.0°降至57.6°。PDA@HNTs涂層還能夠增強細胞在聚乳酸材料上的黏附和增殖。CCK-8檢測結果表明在細胞培養1天和3天后，修飾的PLA圖案的OD值均高于純PLA圖案的OD值。這表明HNTs涂層和PDA涂層可以同時改善細胞與PLA圖案的粘附。PDA@HNTs涂層修飾的PLA圖案的細胞活性較高，這是因為PDA固定住了HNTs，增強了HNTs對PLA基底的粘附性，從而提高了材料的生物相容性。總之，PDA和HNTs修飾后的PLA圖案之所以細胞粘附和增殖能力提高，主要是因為PDA和HNTs的生物活性及材料表面粗糙度的改善。

HNTs涂覆的3D打印PLA圖案表面上的hMSCs熒光顯微鏡照片（A）。不同條紋寬度的3D打印PLA圖案細胞取向角和平均取向角的分布（B和C）。不同表面改性的PLA圖案OD值檢測結果（D）

  該工作的意義在于結合了三種最新技術的優勢，即3D打印制造技術、生物界面調控技術和納米新材料技術，不僅拓寬了生物黏土埃洛石的應用領域，還高效率低成本地制備出了高性能的細胞取向生長基底材料，這種技術在組織工程支架、創傷愈合材料和生物傳感器領域有較高地應用前景。這項納米涂覆技術也有望在其他類型材料的表面改性上獲得廣泛應用，從而提高材料的某些關鍵性能。

  該團隊碩士生吳帆為論文的第一作者，暨南大學劉明賢教授為論文的唯一通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家自然基金青年項目、“廣東特支計劃”科技青年拔尖人才和廣州市珠江科技新星項目等項目的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.11.145

  實驗室網頁：http://www.jnulmx.icoc.cc/