原子力显微镜AFM在组织工程学中发挥重要作用

组织工程学是近年来兴起的一门多学科交叉的前沿科学，细胞和支架是其中最重要、研究最为广泛的两个部分，细胞提供生物功能，支架提供细胞生长的平台，而组织的构建不仅要考虑支架的宏观机构、细胞水平的表面微结构，还应考虑亚细胞水平的纳米结构及皮牛顿级的细胞、分子间作用力。前两个结构层次已有很多的研究和制备方法，而对纳米层次的了解尚不充分，结构控制的方法也有限。纳米技术使得亚细胞水平的器件构建成为可能，纳米技术在组织工程中的应用成为一个新的不断发展的领域。作为纳米检测、纳米操纵的重要手段，表面形态、力学信息检测的新型工具，原子力显微镜(A—tomicforcemicroscopy，AFM)在组织工程学中发挥着越来越重要的作用。

近十几年来，支架材料的研究热点之一是材料的表面结构对种子细胞的影响_，研究者希望深入了解特征的表面形态如何诱导细胞的形态变化、细胞的黏附、迁移、生长、凋亡、基因的调控以及组织的构建。Affrossman等[3系统研究了聚苯乙烯／溴代聚苯乙烯(PS／PBrxS)的成膜情况，用AFM观察发现，在适当条件下该混合体系可形成具有特征纳米级表面结构的薄膜。这种高聚物分层法(PolymerDemixing)制成的薄膜表面为单一PS组分，特征的纳米级岛状结构高度可调控，特别适用于研究不同高度的纳米表面结构对细胞生长的影响。对成纤维细胞的研究结果显示，细胞对材料表面岛状结构敏感，细胞形态、黏附、迁移、细胞外基质形成有关的基因随岛状结构的高度发生变化。培养一周后的内皮细胞形态、分布与体内形成脉管组织过程中的形态相似，预示岛状结构本身就能起到与细胞外基质相似的生理诱导作用lg。上述方法形成的纳米结构形态不规则，Yamamoto等[1妇用AFM研究了纤连蛋白(Fn)在蜂巢状的规整薄膜上的吸附。结果显示Fn围绕孔的边缘吸附，形成圆环状结构，而相同物质的平整薄膜上Fn形成相互连接的纤维状结构，说明吸附Fn的结构与基底的表面结构有关。进一步的内皮细胞和心肌细胞培养结果显示，两种细胞在蜂巢状薄膜上形成的黏着斑均ff1Fn的吸附结构决定，表明蜂巢状薄膜介导的生物学响应与平整薄膜不同。了解细胞外基质纳米级的拓扑结构以及细胞外基质与生物材料相互作用的关系对构建组织工程化人工细胞外基质有着重要的指导作用。重要的细胞外基质蛋白I型胶原具有特殊的纤维结构，其形成与溶液浓度、溶液成分、基底的表面结构、化学成分等多种因素有关，Woodcock等用AFM对I型胶原和Ⅲ型胶原在不同高分子基底上的结构和吸附研究发现I型胶原在聚苯乙烯(PS)上比在一系列的聚甲基丙烯酸酯(PMA)上的吸附更强，而聚甲基丙烯酸酯侧链的长度又影响胶原形成的分枝状纤维的长度，说明聚合物的官能团、表面成分和表面形貌具有介导胶原蛋白吸附的作用。Elliott等u采用端基为COOH一、NH。一和OH一的硫代烷烃制成均匀的单层膜为组装形成胶原纤维的基底，研究显示胶原纤维超级结构的形成依赖于基底的化学组成，粗胶原纤维只在接触角大于83。的表面上生成，当接触角小于63。时粗胶原纤维不能形成。深入了解蛋白一材料吸附规律，对仿生材料制备有很好的指导作用。

AFM不仅是纳米结构检测的有效手段，其纳米级的针尖和精密的压电控制系统使其成为纳米操控和制作的有力工具，经适当的方法控制探针的作用力和移动轨迹，可用于“书写”纳米级的图案，这一技术被称为扫描探针刻蚀(SPL)。Acunto等口利用溶剂挥发效应，采用相对较低的力(2～2OnN)，应用AFM探针一次扫描成型，分别在聚己内酯(PCL)和聚乙烯基对苯二甲酸酯(PET)薄膜上诱导产生稳定的条纹状纳米图形，通过调整施加力的大小、扫描速度、角度，可改变形成图形高度、周期性和取向。