一种用于精确复制复杂且具有细胞导向功能的表面微地形的方法

《Micro and Nano Engineering》：A method for accurate replication of complex and cell-instructive surface microtopographies

本研究提出了一种改进的复制方法，利用镍模电铸成型和纳米压印技术，在热塑性聚氨酯（TPU）薄膜上高精度复制羟基磷灰石（TCP）陶瓷的复杂三维表面拓扑结构。与传统的PDMS软压印方法相比，该方法显著提升了拓扑结构的深度和分辨率，同时镍模具有更好的机械稳定性和重复使用性。细胞实验表明，TCP B的表面拓扑结构对hMSCs的细胞形态和附着力影响更为显著，纳米压印的TPU薄膜能更有效地引导细胞骨架排列和细胞极化。本研究为开发基于表面拓扑结构的生物材料提供了新方法。

　　生物材料的表面形貌对细胞行为具有重要的调控作用，并在组织再生领域展现出巨大的应用潜力。近年来，科学家们致力于探索如何通过不同的制造工艺复制天然或工程化材料的复杂表面结构，以便更深入地研究这些结构对细胞反应的影响。钙磷酸盐陶瓷，特别是β-三钙磷酸盐（β-TCP），因其在骨组织工程中的广泛应用而受到关注。这些材料的表面形貌不仅影响其机械性能，还可能通过物理信号引导细胞的附着、生长、分化等关键行为。然而，目前对于这些形貌如何具体影响细胞反应的机制仍不够清晰，尤其是当形貌与材料化学性质相互作用时，如何分离和研究其独立影响。

为了解决这一问题，研究者们开发了多种复制技术，以将陶瓷表面的形貌转移到不同的生物材料上。传统的热压模塑（hot embossing）技术虽然在复制表面形貌方面取得了一定的进展，但其在复制具有复杂三维结构和多尺度层级的表面时存在一定的局限性。例如，PDMS（聚二甲基硅氧烷）模具虽然在复制表面形貌方面较为常见，但在复制细微的结构特征时可能因为材料的粘弹性特性而出现形貌失真或不完整复制的情况。因此，研究团队提出了一种改进的复制方法，利用镍模具电铸（nickel mold galvanoforming）和纳米压印（nanoimprinting）技术，以实现更高质量的形貌复制。

该方法的关键在于模具的制造过程。通过将β-TCP陶瓷片作为模板，采用电铸工艺在镍基底上生成逆向模具，可以更精确地复制陶瓷表面的三维结构。与PDMS模具相比，镍模具在形貌深度、分辨率和结构复杂性方面表现出更优越的性能。在后续的纳米压印过程中，这些模具被用于在热塑性聚氨酯（TPU）薄膜上复制出高度保真的表面结构。研究结果表明，使用镍模具进行纳米压印的TPU薄膜在形貌深度和细节再现方面优于传统PDMS模具复制的薄膜。

在模具和TPU薄膜的表征方面，研究团队采用了扫描电子显微镜（SEM）和轮廓测量技术（profilometry）。SEM图像显示，镍模具复制的TPU薄膜具有更丰富的三维形貌特征，而PDMS模具复制的薄膜则表现出较为平滑的表面。轮廓测量进一步量化了这些差异，证实了镍模具在复制深度方面优于PDMS模具。此外，通过分析表面参数，如表面粗糙度（Sa）、最大高度（Sz）、纹理比（Str）等，研究团队发现镍模具能够更准确地再现原始陶瓷表面的复杂结构，从而为后续的细胞行为研究提供了更可靠的基础。

在细胞行为的评估方面，研究团队使用了人源间充质干细胞（hMSCs）作为模型细胞，分别在不同表面形貌的TPU薄膜和原始β-TCP陶瓷片上进行培养。结果表明，经过纳米压印的TPU薄膜能够更有效地引导细胞的附着和形态变化。特别是在TCP B（较大颗粒）表面，使用镍模具复制的TPU薄膜上的细胞表现出更显著的延展性，而PDMS模具复制的薄膜则导致细胞形态较为紧凑。这说明，表面形貌的深度和复杂性对细胞行为具有重要影响，尤其是在细胞的分化和功能调控方面。

此外，研究团队还观察到细胞骨架结构的变化。通过荧光显微镜观察，发现使用镍模具复制的TPU薄膜上的细胞具有更为有序的F-actin（肌动蛋白）网络，而PDMS模具复制的薄膜上的细胞则表现出较高的熵值，意味着其细胞骨架结构更为无序。这进一步支持了表面形貌对细胞行为的调控作用，表明更精细的表面结构能够引导细胞形成更稳定的形态和功能。

为了确保实验的可靠性，研究团队还对模具和TPU薄膜的化学性质进行了分析。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测，发现两种复制方法均未改变TPU薄膜的化学组成，这表明复制过程不会引入额外的化学信号，从而确保了细胞反应是由表面形貌引起的。此外，研究团队还评估了模具的耐久性，发现镍模具能够承受多次高温高压的压印过程，而PDMS模具则在重复使用过程中容易发生断裂或性能下降，限制了其在复杂形貌复制中的应用。

在讨论部分，研究团队强调了表面形貌对细胞行为的重要性，并指出通过改进的复制方法，可以更准确地研究这些结构对细胞功能的影响。例如，已有的研究表明，具有特定深度和高度的微结构能够引导巨噬细胞向M2（抗炎）表型极化，或者促进成骨细胞的形成。因此，本研究中使用的纳米压印技术，不仅能够复制出具有更精确深度的表面形貌，还能够为后续研究提供可靠的实验平台。

综上所述，这项研究通过开发一种新的复制方法，成功地将β-TCP陶瓷的复杂表面形貌转移到TPU薄膜上。这种方法不仅提高了形貌复制的精度和深度，还增强了模具的耐用性，从而为研究表面形貌对细胞行为的影响提供了更有效的工具。未来的研究可以进一步探索这些复制材料在不同细胞类型（如成骨细胞、破骨细胞和巨噬细胞）中的应用，以全面评估其在组织工程和再生医学中的潜力。此外，该方法还可以推广到其他类型的生物材料和表面结构，以促进更多关于细胞-材料相互作用的研究。