二、物理梯度的影响

（一）基底模量梯度调控细胞迁移

材料的硬度和拓扑形貌对其表面的细胞行为影响巨大。细胞的形貌、黏附、基因表达甚至分化和侵袭等行为均会受到细胞周围硬度的调控。绝大部分细胞的黏附和铺展随基底硬度增加变好，表现出更完整精细的细胞骨架形态。类似结果被Pelham证实，细胞在柔软的基底上黏附变差，板状伪足活性提高，因此细胞迁移能力变强。Han等利用3～5mol/L盐溶液处理聚电解质多层膜，构建了多层膜模量的梯度，发现高密度下平滑肌细胞向高模量方向迁移。Lo等构建了表面修饰胶原蛋白的模量梯度的水凝胶，并证实成纤维细胞倾向于从软质基底向模量更高的区域迁移。Wong等发现在模量梯度表面，血管平滑肌细胞可以从软的区域迁移到硬的一侧，使得细胞在24小时后聚集于模量高的区域（图4-17）。Lo等研究了细胞在这种物理梯度上的响应机制。整个过程涉及黏着斑激酶等多种信号分子的表达。从能量方面讲，当提供给细胞等量的能量时，由于在软的基底上z方向的位移相对较大，能量的耗散增加，基底提供给细胞的反作用力变小，较弱的反馈使得细胞黏附变差。当细胞检测到在单位细胞长度上两端基底牵引力的不平衡时，细胞便定向迁移至黏附力大的一侧，即从软端定向迁移到硬端。然而细胞能感知的硬度范围有限，例如Yeung发现范围在2～55 000Pa的硬度梯度表面，成纤维细胞的铺展面积在3 000Pa时突然增大。不同组织来源或相关细胞适应的周围环境模量差异很大。例如正常的心肌的模量变化约为0.6kPa/mm，而心肌梗死病变心肌的模量变化可达8.7kPa/mm。Martinez利用光交联构建了聚电解质膜的梯度，发现鼠动脉平滑肌细胞A7r5沿模量梯度方向极化，并且具有硬度响应，在硬度较高时铺展和黏附较好；相比之下，人骨肉瘤细胞U2OS则没有表现明显的极化，对不同硬度的区域也没有响应。

图4-17　通过光掩膜调节材料表观模量及其对细胞迁移的影响

A.用于控制丙烯酰胺聚合过程的光掩膜图案：（1）灰度从10%～70%变化（间隔为10%）；（2）辐射状的图案，从内到外，灰度值增加；（3）与（2）中灰度值反向变化的辐射状图案，从内到外，灰度值降低。光掩膜灰度值越高，水凝胶模量越低。B.通过微压痕方法测得凝胶的杨氏模量。C.在30%灰度滤光片和透明滤光片下聚丙烯酰胺凝胶上的细胞迁移速率。D.在杨氏模量辐射状变化凝胶表面的细胞迁移轨迹，发现细胞趋向于向模量更高的方向迁移。E.在30%灰度滤光片下成胶的聚丙烯酰胺凝胶表面细胞迁移轨迹。平滑肌细胞在15kPa表面（30%灰度滤光片）的迁移速率显著高于20kPa表面（无滤光片），同时明显高于在细胞培养板表面的迁移速率（10～20μm/h）。

（二）基底拓扑形貌梯度调控细胞迁移

材料表面拓扑形貌能够影响细胞迁移行为。Kim等利用紫外辅助毛细力光刻技术（ultravioletassisted capillary force lithography，CFL）建立了纳米-微米沟槽密度梯度变化的阵列图案。在拓扑结构密集区域，成纤维细胞沿沟槽方向排列和延伸更为明显，细胞迁移随着沟槽间距变大先增加后减小，在沟槽间距为250μm左右时，细胞迁移速率最大。不同的基底表面拓扑形貌影响细胞的骨架排列，诱导细胞表现出不同的迁移行为。Mak等制备一种管径逐渐缩小的微管模拟癌细胞在体内组织基质中或通过血管壁外渗转移过程中遇到的狭小空间来测试癌细胞的决策反应。高转移性乳腺癌细胞MDA-MB-231显示出很高的转移性，有87%的细胞迁移到狭小的区域内。相比之下，只有75%的非上皮细胞的转移性乳腺癌细胞MCF-10A转向迁移。

（三）基底粗糙度梯度调控细胞迁移

表面粗糙度的梯度对细胞迁移行为也有影响。Andrukhov发现，在粗糙度1～4μm变化的表面，MG-63成骨细胞在粗糙度最高时，迁移速率最低。Li在表面构建了PLGA粒子的密度梯度，因而形成了表面粗糙度80～900nm渐变的梯度。考察背根神经节细胞在表面的形态发现，在粗糙度为550nm左右时，细胞的轴突生长最长，铺展最好。