文摘
各种控制微貌可以促进成骨分化的间充质干细胞(msc),如microgrooves micropillars, micropits。然而,最佳的形状、大小和机制尚不清楚。在这次审查中,我们总结的参数之间的关系不同的微貌和msc的行为。然后,我们试图揭示它们之间的潜在机制。结果表明,microgrooves 4-60宽度μm和脊宽度小于10μ不到10米,micropillars与参数μm,广场micropits msc的潜能,促进成骨分化,而微观形态学相同大小的可能诱发更大的病灶粘连(FAs),组织良好的细胞骨架,优越的单元格区域。因此,这类事件可能是由microtopography-induced转导通路。
1。介绍
表面形貌对细胞反应的影响包括联系指导和影响细胞功能,已被证实了好几年(1,2]。最近,由于先进的精密加工技术和地形特征的形状和大小的巨大灵活性[3),研究兴趣探索荫线索诱导骨再生显著加快。一般来说,微貌可以影响相关的细胞通过模仿天然细胞外基质(ECM)。而微貌规模超过100μm主要影响细胞在殖民地层面,微尺度0.1和100之间μm影响细胞单层(4]。
牙科植入在部分或完全无齿的患者是一个可预测治疗长期成功的高(5]。但是,早期的骨整合地区仍被视为一个挑战最小梁骨(骨IV型)和短和更薄的皮质骨,这是通常被认为是更适合支持牙科植入物(6]。间充质干细胞(msc)是最早的细胞在植入物表面放置后,这是骨形成成骨细胞的前体(7,8]。近年来,植入物表面与微尺度设计,比如microgrooves [9- - - - - -11],micropillars [12,13],micropits [14,15)创建了msc诱导成骨分化行为,改善骨整合,允许直接或患者早期功能加载骨密度降低。因此,诱导msc向成骨细胞的分化谱系提供荫线索可以帮助快速和稳定的骨整合。尽管微型图象可以提高成骨分化的msc、没有共识最优规模和机制目前还不清楚。
在这次审查中,我们总结了独特的意图目前实验证据调查microtopographic参数和MSC分化之间的关系。然后,我们试图找出潜在的机制对微貌如何影响手动msc在体外成骨分化。我们希望这些将为未来植入表面形貌设计提供参考。
2。精密加工技术
精密加工技术,可以为控制或操作微貌诱导干细胞分化。目前,微貌的制造技术包括直接制备方法,包括光刻(16)和激光光切除(17];和间接(原型)技术,如热压花(18)和软光刻技术(19]。表1介绍了这些技术的优缺点。
2.1。激光光切除
飞秒激光微加工(图1(一))已经被有效地实施供应微型图象钛和氧化锆15,20.,21]。激光脉冲通过空气旅行的主要设备,可集中光束和位置样本。样本位于机动平台与三轴运动,为了使垂直脉冲可以影响到他们的表面22,23]。
2.2。光刻
微型图象生成的钛和硅的光刻(16,24),生产模式的一层光敏聚合物(光刻胶)利用紫外线(图1(b))或x射线(图1(c))。光线照在“面具”包含了设计模式的形式UV-opaque特性将背景(25]。然后,该模式可以被转移到衬底的下干(如ICP-based干蚀刻)或湿蚀刻(如氢氟酸)[26,27]。
2.3。热压花
热压花(图2(a))已经被用于生产聚苯乙烯唱片表面(29日]。在热压花压印光刻中,微型机械大师(通常是硅)按到在一个高温热塑性纤维聚合物,形成救灾模式。这项技术的主要优势包括它的低成本和生成3 d功能的能力,很难产生硅的其他技术(18]。
2.4。软光刻技术
Microgrooves、micropits micropillars,分别由软光刻技术(图2(b))聚合物(12,14,30.]。软光刻技术共同采用弹性聚合物的合奏,主要是基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)之内的模具,邮票,或者面具因为模式构成的关键要素的方法(31日]。
3所示。微型图象的物理性质
表面粗糙度和润湿性是两个微型图象的重要物理性质,这可能导致成骨分化的msc。表面粗糙度改变细胞的粘附状态和几何形状(32,33]。msc的细胞骨架显示高张力传感粗糙表面的粗糙度梯度,这是进一步转移到细胞核,最后影响成骨的标记的干细胞的表达。同时,成立,msc与温和的表面润湿性提出整合素的基因表达水平高于那些更多的疏水表面34]。众所周知,调解cell-matrix交互和整合素受体发挥核心作用在细胞粘附、扩散、迁移、增殖和成骨分化35,36]。因此,表面润湿性能通过整合素可以影响成骨分化的msc。
3.1。唱片
microgrooves由沟槽和山脊,排成一条线(图3)。因为它们可以相对容易地制造各种精密加工技术,如光刻(37)、激光光切除(38),等等,他们都进行了广泛的调查对细胞行为的影响。唱片在表面润湿性能的影响已经被报道,这表现出较低的接触角与未经处理的(20.]。相反,氧化锆的纹理的表面显示更高的接触角(39]。这种差异可能是由于所使用的不同的材料基质。
3.2。Micropillar
Micropillar是一维形状垂直于衬底表面(图4),这也是之后通常观察细胞和物质之间的相互作用。在聚合物和SiO2电影,micropillars不同高度的边长和差距大小可以通过软光刻技术和溶胶-凝胶法的方法(12,40]。内接触角增加明显的存在的特性,与柱阵列表面提供一个亲水的行为而提出的线阵列薄膜相对较高的疏水性值(40]。
3.3。Micropit
这些micropit基质组成阵列的广场或圆形的形状(图5)。边长(直径)和深度micropits的两个主要参数。目前,软蚀刻和飞秒激光可以用来制造micropits不同尺度的聚合物(14和氧化锆15),分别。然而,micropit表面的物理性质,如亲水性需要进一步研究。
4所示。微型图象调节细胞粘附和形态
微型图象提供一个广泛的机会制造的表面定义形状、大小和空间安排。这允许研究人员探索微型图象之间的交互和msc、包括细胞粘附、形态、和成骨分化。调查这些交互可能另外显示能力的分子机制在msc微型图象中成骨分化的变化有关。
4.1。唱片
密纹地形,它允许细胞附件24小时后,细胞形态依赖于地形提示(21,29日]。细胞在路径平行凹槽对齐与细胞骨架明显延伸。虽然未成形的表面,细胞被导向随机和提出了一个传播表型不同的胞质过程。此外,它报道,焦点粘连(FAs)较少,规模较小,在未经处理的样品的几个方向。相反,细胞粘附微貌更强,面向微地形特征,FAs显示很成熟。进一步的研究还发现,(10]microgrooves各种宽度促使微分表达不同的基因包括细胞粘附、迁移和细胞骨架重组。考虑到地形特征可以调节细胞粘附信号和细胞骨架组织,四个基本FA-related蛋白表达了参与整合素β1、整合素α5、vinculin和蛋白(9]。结果表明,整合素的表达β1,α5是大幅度调节唱片表面较平坦。
4.2。Micropillar
早些时候有报道称micropillars可以提高细胞附件(12,41),这可能是由于更大的接触面积和成熟的FAs辅助空间模式。
msc在micropillars培养不同高度的研究发现,功能高度影响足总规模和密度(42]。24小时后附件,成熟的FAs观察0.8的高度μm micropillar和扁平。当micropillar高度增加到4.6μ米或更大,FAs micropillars密集分布。最近报道,更高数量的msc附修改后的表面相比,平了一个积极的监管micropillars细胞附件(12]。而在细胞的数量也发现受到支柱边长(P)和interpillar差距大小(G)。与其他大小相比,细胞连接在P4G4更好。鉴于支柱顶部的边缘已经被证明是焦接触的地方主要是针对[43),细胞依附在P4G4成为可能的结果最多的单位面积上的柱子,细胞可以互动。至于细胞形态学,挤压和符合细胞质interpillar空间,限制了其典型的传播形态附件平面控制(12,40]。
4.3。Micropit / Microwell
为了评估micropits表面FA的影响增强,免疫染色是在第二天,这表明,FAs成熟坑内,分布在外围的细胞(14]。而成熟的FA地区micropit表面上显著高于控制表面。msc培养的细胞形状micropits不同深度和直径的表明,细胞形态学变化依赖于模式类型。Stanciuc et al。15]。表明,当直径30μ米,高深度导致更高比例的多边形细胞和大细胞区。如果尺寸较小的细胞培养领域,特别是在区域的直径10μ3 - 10 m和深度μm,它有一个细长的细胞形态。讨论细胞位置,msc优先microwells内分布,特别是在早期文化阶段细胞融合时在低水平(44]。尽管这种差异的机制仍需要弄清楚,这可能是由于各种空间环境的物理和生化信号micropits内外。
上述结果表明,微型图象可以通过调解FA msc粘附影响大小,密度,和改变整合素表达。微型图象与适当的大小和空间安排可能提供必要的物理线索细胞受体需要调节细胞形态、细胞骨架重组,对细胞核和传输机械信号,这可能最终导致改变干细胞分化。
5。在成骨分化调节微型图象
体内,牙科植体的表面粗糙度是必不可少的组织再生或组织工程的集成45,46]。此外,一些研究已经证实它能够影响成骨的标记的干细胞的表达(47,48]。然而,表面粗糙度是困难的特点。相反,基板与命令表面地形相对简单的特点,同时增加粗糙度,如唱片、micropillar, micropit。
就像前面提到过的部分,要求表面地形可以诱发大FAs,有组织的细胞骨架,msc的传播形态。根据这份报告,大传播和收缩性的增加msc喜欢成骨分化,而小细胞扩散和低收缩性更喜欢去(49]。因此,特定的微形貌特征可以诱导msc的成骨分化以及调节细胞粘附和形态。
5.1。唱片
槽和脊宽度是两个重要的参数来调节细胞成骨分化,和几个研究的实验细节展示在表2。
坡口宽度的4μm和脊宽度为2μm时倾向于促进成骨分化Ad-MSCs(脂肪间充质干细胞)被播种在衬底(11]。然后,据报道,一个特定的密纹的槽宽7μ3 m和脊宽度μ米可以最有效地诱导成骨分化mMSCs(鼠标骨骨髓来源间充质干细胞)9]。同时,蛋白质的表面特性显示了最高水平的整合素的表达,FAs的一个重要组成部分。这表明,之间有一个连接细胞粘附和msc的成骨分化。Abagnale et al。50)系统不同的凹槽的宽度和山脊,从2到15μm。值得注意的是,有一个逐渐减少的成骨分化脊宽度增加。在15μm山脊hMSCs(人类骨骨髓来源间充质干细胞)显示持续高脂肪形成的分化,而不是成骨分化。当槽宽度增加到30或60μm,研究者发现它还可以显著提高hMSCs[的成骨分化10),而槽的宽度60μm将显示一个峰值在成骨分化的差异(由细胞外钙沉积暗示)21天(51]。坡口宽度达到> 100μm,高山活动hMSCs水平略有增加7天,但无统计差异成为确定14天(52]。这些结果表明,槽宽的微型图象4-60μm和脊的宽度小于10μ米可能是适合成骨分化的msc。
5.2。Micropillar
这是一个有效的方法应用与调整micropillar维度增强成骨性能在体外和体内,可以模仿骨材料表面微观结构的三维特征。表3显示了一些研究的主要结果。
不同高度的影响的micropillar msc分化成骨的体内被发现。它表明,5μ米高的柱子,rMSCs(鼠骨骨髓来源间充质干细胞)仍有成骨分化的能力,尽管他们的核严重变形(53]。为了进一步探索micropillar高度对msc的成骨性能的影响,一些研究报道,micropillar 3的高度μ米或6.4μm促进成骨分化,而低0.8的高度μm增强脂肪形成的性能(40,42]。Konttinen [54)发现,广场micropillar 5的高度μ米可能更有利于成骨分化的msc相比0.2的高度μ米到20μm。除了高度,方形的边长micropillar (P)和interpillar差距(G)也细胞成骨分化的关键因素。使用光刻,三种类型的广场micropillar创建与8的高度μm。结果表明,疏水micropillar,横向维度的4μm (P4G4)和8μ米(P8G8),分别诱导矿化骨nodule-like细胞聚集和早期成骨基因的表达没有任何分化补充剂增长媒体(12]。它可以值得注意的是,micropillar结构可能更有利于成骨分化,当这三个参数在10μm。
5.3。Micropit
micropit结构认证的重要性在调制多能干细胞的行为。例如,他们已经证明了诱导干细胞的生长,可以促进他们产生均匀的细胞殖民地,与定义的形状和大小。然而,有限制信息的影响micropit几何msc的成骨分化。
micropits中创建两个不同的形状:方形和圆形55]。他们是由软光刻技术,与不同长度或直径和一个完全相同的深度10μm。发现与50平方micropits表面μ米边长诱导msc的增殖和成骨的性能相对于圆形micropits衬底与50μ米直径。搜索引擎优化等。14)也用软光刻技术生产micropits 3μ米边长,2μ米或4μ在PDMS米深度。相比于控制平面,ALP的活性明显高于micropit表面在第七天,OCN蛋白的强度与高山遵循类似的趋势。然而,与30个坑μ米直径和10μ米深可能诱导msc承诺向成骨细胞的表型与未成形的表面或特性和较小的尺寸,如10和20μ米直径(15]。这些提到的研究发现,大的方形micropit边长可能更有利于成骨的msc的性能。至于圆的微观结构,它需要更多的系统调查。总结了研究细节表4。
一般而言,上述后果提出了更多的敏感性成骨的骨髓间充质特征尺寸的性能当培养微型图象。此外,它似乎是一个联系的细胞粘附和成骨分化msc播种在微型图象。就像前面提到的,相同的大小可以有效地诱导大FAs,一个组织良好的细胞骨架,一个典型的传播形态的msc。进一步分析这种联系,潜在的转导机制需要调查,要求FAs钙信号从细胞外基质(ECM)通过整合素和细胞内protein-cytoskeleton复杂的细胞。
6。潜在的机制Microtopography-Induced成骨分化有关
机械信号细胞转换成生化信号诱导的表面形貌通过这一过程被称为转导(56,57]。体外迄今为止,结果表明,所涉及的转导microtopography-induced成骨性能(13,58,59]。有两种类型的转导机制可以列出如下,可能关注与信号转导、细胞骨架重组,核转导。一种方法是直接转导。其内容是,压力或机械力的微貌传播到核可能通过细胞骨架调节核形成和染色体直接定位。第二个是间接的转导机制。这意味着通过生物分子机械信号转换成生化信号。
直接物理转导(图6)是必不可少的荫表面的机械信号转移到细胞核,包括发挥nucleoskeleton细胞骨架的应力。核组织层次组成的染色体领土。microtopography-induced信号可以直接运入核通过细胞骨架元素作为一个集成的单位。实验结果表明染色体重新定位和细胞核变形反应微形貌表明,细胞核可以被视为一个积极mechanosensor [60]。这是支持核板,可以提供结构支持核和肌动蛋白细胞骨架的链接形式,保证适当的核和centrosomal组织(61年]。通过这种方式,压力可以直接传达的肌动蛋白细胞骨架核和可行的后续影响染色体基因表达(9,62年]。msc具有一个肌动蛋白细胞骨架和已被证明在应对微貌改造。这个改造教唆后续mechanotransductive通路,最终导致成骨的基因的表达,如RUNX-2越多,OPN,等等。应用msc产生拉力的应变也增加他们的扩散和骨基质蛋白的生产。上述结果表明直接的重要作用转导细胞反应微貌。然而,转导机制和具体的微型图象特征之间的联系仍然需要进一步调查。
旁边的直接mechanotransductive信号通路,它报道,RhoA-ROCK-MLCK(肌凝蛋白II)是一个独特的间接途径(46)(图7)。RhoA,充当转导受体,发挥着独特的作用在调节肌动蛋白细胞骨架重组(64年]。激活下游RhoA /摇滚通路将增加聚合的细胞骨架的形成方式的大型c和应力纤维。这种机制是由分子的研究表明高RhoA活动与增强附着力成熟,细胞应激和细胞骨架重组,促进成骨的msc的性能(43,65年]。另外证实了他们的角色小分子抑制剂的使用,blebbistatin和y - 27632,分别抑制肌球蛋白II和岩石。它确定,英足总形成,细胞骨架重组,fak(粘着斑激酶)磷酸化作用大大降低。同时,FA形成的地形依赖也是难以置信地下降。机械刺激后整合蛋白由外部微貌,广泛与其他激酶FAs,包括fak和细胞外signal-related激酶(erk) [66年肌动蛋白的浓度),带来力量。最后,核变形导致武力msc移植RUNX2和OPN的表达基因,进一步证明改变细胞内信号转导途径的重要性对机械刺激的反应。这些发现表明,信号转导途径可以调节msc的粘附和细胞骨架组织微貌(43),这可能最终影响成骨的基因的表达。
7所示。结论和展望
理解微貌和细胞之间的连接活动,不同类型的模式(沟、坑和支柱)。在这里,我们审查制备方法获得身体上的微尺度表面和讨论模式的物理性质。然后,我们专注于msc响应和microtopogracial特性之间的关系,可以进行修改牙科植体表面。偏爱大型FAs荫表面上表明成骨性能和细胞粘附相关。此外,一个高度有组织的传播形态细胞骨架将有利于成骨分化,表明直接转导机制应该发挥重要作用在msc粘附行为之间的联系和成骨的性能。尽管控制微形貌可以被视为一个潜在的线索指导msc分化成骨细胞谱系,没有最佳的微型图象已确认。同时,原因是缺乏系统性的比较各种微型图象尺寸和空间安排的结果。接下来,我们需要进一步提高生物医学材料的精密加工过程,研究微型图象之间的相互作用的潜在机制和msc筛选最优微型图象结构和大小。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果中包括审查。
的利益冲突
作者声明没有潜在的利益冲突对这个审查。
确认
本文是由中国国家自然科学基金(批准号81801035)和中南大学研究生科研创新基金(批准号2021 zzts0954)。