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  做人要腳實(shí)地，那么細(xì)胞生活在材料界面上又如何？ 

  人類干細(xì)胞能夠感受細(xì)胞外基質(zhì)的物理因素，并因此而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)部的基礎(chǔ)生理現(xiàn)象 ，此為再生醫(yī)學(xué)及生物材料的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。近年不少文獻(xiàn)設(shè)計(jì)不同材料表面的黏附配體的表達(dá)性來調(diào)控細(xì)胞感受到的外部環(huán)境，如光學(xué)性 (紫外線、近紅外線等)，化學(xué)性(電化學(xué)，超分子結(jié)構(gòu)操控)及生物學(xué)性(如酶的應(yīng)用)等手段，令其整合為細(xì)胞內(nèi)的物理化學(xué)信號，通過信號的傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)最終改變細(xì)胞的功能和相關(guān)基因表達(dá)�？墒牵C合以上的手段都有一定機(jī)率直接或間接地干涉細(xì)胞生理上的反應(yīng)，令其研究的各種因素不能完全排除以上附加的影響性，故一個(gè)非極端的磁控的平臺能符合不干涉細(xì)胞又能輕易穿透材料以控制內(nèi)部反應(yīng)的條件。

  香港中文大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系邊黎明教授課題組首次透過聚乙二醇 (PEG) 鏈把載有整聯(lián)素配體 (RGD) 超順磁性納米粒子 (MNP) 修飾在材料的平面上，因此能簡單并無接觸地利用動/靜態(tài)磁場控制黏附配體的微觀尺度的動態(tài)呈現(xiàn)，及其與細(xì)胞整聯(lián)素的作用，從而進(jìn)一步有效調(diào)節(jié)了人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）于材料表面上的黏附性、鋪展性及骨分化性，此材料更被殖入了老鼠皮下進(jìn)行研究并得到與平面研究的相似結(jié)果，證明其應(yīng)用性適用于體內(nèi)。這些發(fā)現(xiàn)對生物材料表面的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

圖1. 透過特長而柔韌的PEG鏈連載有RGD的MNP到基質(zhì)上，MNP受著磁場吸力(+Mag)下，限制了RGD的鏈接移動性。沒有磁場吸引(-Mag)RGD則有著高度移動性

圖2.　研究結(jié)果的概括圖。a) -Mag令載有RGD的MNP有著高度鏈接移動性，hMSCs因此沒有穩(wěn)定的黏附狀態(tài)，不利力學(xué)信號的傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)。b) +Mag則限制RGD的移動性，促使hMSCs穩(wěn)定地黏附在表面上，有利形成黏合斑和力學(xué)信號的傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)

  如圖1-2所示，受磁力吸引下，系鏈柔軟度會大大降低，細(xì)胞便能「踏實(shí)」地黏附在表面上，促進(jìn)生成黏合斑和F-肌動蛋白，達(dá)到良好鋪長并提高物理力學(xué)的傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)，有利于骨分化；高系鏈柔軟度則反之亦然。

圖3. 動態(tài)磁場控制hMSCs黏附配體與整聯(lián)素的互動振幅頻率，0.1 Hz 促進(jìn)黏附等穩(wěn)定性，2 Hz或以上的振幅頻率則會抑制其效果

圖4. 動態(tài)磁場控制巨噬細(xì)胞的黏附配體與整聯(lián)素的互動振幅頻率，0.1 Hz 能有效地誘導(dǎo)其M2的極化，2 Hz或以上的振幅頻率則會令其向M1的極化

  在動態(tài)方面，因利用了動態(tài)磁場而控制黏附配體與整聯(lián)素的互動振幅頻率，其研究展示振幅頻率為0.1 Hz竟有利于上述的細(xì)胞－材料界面的黏附、等特性，2 Hz或以上的振幅頻率則會抑制其效果（圖3）。隨后此動態(tài)納米平臺更應(yīng)用于巨噬細(xì)胞的極化與黏附配體振幅頻率的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)低頻率(0.1 Hz)能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞趨向于M2極化，高頻率(≥2 Hz)則有利M1的極化，其結(jié)果在體外和體內(nèi)皆相同（圖4）。此創(chuàng)新的磁控納米平臺對研究細(xì)胞與材料表面的相互作用提供了簡單有效的工具。

  相關(guān)結(jié)果皆于2017年分別發(fā)表在a) Nano Letters，以邊黎明教授課題的博士生王兆康和博士后黎錦明為共一作者；b) ACS Nano ，以博士后 Heemin Kang和博士生王兆康為共一作者；及c) Nano Letters，以博士后Heemin Kang和西北大學(xué)(North Western University) Vinayak Dravid授課組的博士后Sungkyu Kim共一作者。

  論文詳見：

a) ＋Wong, S.H.D.; ＋Li, J.; Yan, X.; Wang, B., Zhang, L.; *Bian, L. Magnetically tuning tether mobility of integrin ligand regulates adhesion, spreading, and differentiation of stem cells. Nano Letters, 2017; 17 (3), 1685-1695 

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b04958

b) ＋Kang, H.; ＋Wong, S.H.D.; Yan, X.; Jung, H.J.; King, S.K.; Lin, Si.; Wei, K.; Li, G.; *Dravid, V.; *Bian, L. Remote control of multi-Modal nanoscale ligand oscillations regulates stem cell adhesion and differentiation". ACS Nano, 2017 August

http://europepmc.org/abstract/MED/28841292

c) ＋Kang, H.; ＋Kim, S.; Wong, S.H.D.; Jung, H.J.; Lin, Si.; Zou, K.; Li, R.; Li, G.; *Dravid, V.; *Bian, L. Remote manipulation of ligand nano-oscillations regulates adhesion and polarization of macrophages in vivo. Nano Letters, accepted, 2017 September

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b03405

邊黎明教授課題組簡介：

  邊黎明教授課題組長期致力于生物材料與組織工程的相關(guān)研究。以透明質(zhì)酸、明膠等天然高分子為基礎(chǔ)，開發(fā)了一系列具有良好力學(xué)性能和生物兼容性的功能化水凝膠，亦關(guān)注了水凝膠的生物活性及其在再生醫(yī)學(xué)中的重要應(yīng)用。與此同時(shí)，課題組基于多種納米材料，研發(fā)了用于基因/藥物傳遞和分子成像的新體系，在調(diào)控干細(xì)胞分化和研究細(xì)胞-材料相互作用等領(lǐng)域取得諸多新進(jìn)展。近期代表性工作有：

• Zhang, K.; et. al. Self-assembled injectable nanocomposite hydrogels stabilized by bisphosphonate-magnesium (Mg2+) coordination regulates the differentiation of encapsulated stem cells via dual crosslinking. Advanced Functional Materials. 2017, June.

• Feng, Q. et. al. Mechanically resilient, injectable, and bioadhesive supramolecular gelatin hydrogels crosslinked by weak host-guest interactions assist cell infiltration and in situ tissue regeneration. Biomaterials, 2016.

• Wei, K. et. al.  Robust biopolymeric supramolecular “Host-Guest Macromer” hydrogels reinforced by in situ formed multivalent nanoclusters for cartilage regeneration. Macromolecules,2016.

• Zhu, M. et. al.  Hydrogels functionalized with N-cadherin mimetic peptide enhance osteogenesis of hMSCs by emulating the osteogenic niche. Biomaterials, 2016.

• Li, J. et. al. Photo-controlled siRNA delivery and biomarker-triggered AIEgen emission by upconversion NaYF4:Yb3+Tm3+@SiO2 nanoparticles for inducing and monitoring stem cell differentiation. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017.

• Xu, J. et. al. Nanocarrier-mediated codelivery of small molecular drugs and siRNA to enhance chondrogenic differentiation and suppress hypertrophy of human mesenchymal stem cells. Advanced Functional Materials. 2016.

• +Xu, Y. et. al. Preserving the adhesion of catechol-conjugated hydrogels by thiourea-quinone coupling. Biomaterials Science, 2016,

• Choi, C.K.; et. al. Substrate coupling strength of integrin-binding ligands modulates adhesion, spreading, and differentiation of Human mesenchymal stem cells. Nano Letters, 2015 Oct.

  邊黎明教授課題組主頁：http://www.bme.cuhk.edu.hk/lbian/