综述：通过形貌、刚度和图案调控调控多能干细胞的细胞感知

这篇综述系统阐述了微米/纳米级拓扑结构（micro-/nanotopography）如何通过调控多能干细胞（PSCs）的粘附、增殖、多能性维持和定向分化来模拟天然细胞外基质（ECM）微环境。文章重点分析了拓扑结构与基质刚度（substrate stiffness）的协同作用，及其在心脏（cTnT+）、神经（FOXA2+）和肝细胞（SOX17+）分化中的应用，为再生医学提供了新型生物材料设计策略。

　　

微米/纳米拓扑结构：重塑多能干细胞的命运蓝图

2.1 微米级拓扑结构的精密调控

微米级图案通过精确的空间约束引导干细胞行为。Tan团队开发的顺序拓扑策略——先用2μm沟槽引导hiPSCs向神经前体细胞（NPCs）分化，再转至2μmPDMS柱阵列促进多巴胺能神经元成熟，使神经突分支复杂度提升3倍。这种时空控制的关键在于：沟槽结构通过接触引导效应增强FOXA2⁺中脑多巴胺神经元定向（达68%），而柱状拓扑通过局部刚度变化（12μm间距）触发突触蛋白表达。

刚度与图案的协同效应在心脏分化中尤为显著。Wang等发现9kPaPDMS微柱阵列能诱导73.8%的hiPSCs表达心肌标志物cTnT，其机制在于中等刚度促进胚胎样体（EBs）形成最佳曲率（高度≈82.7μm）。更有趣的是，Luo团队通过肝细胞分化三阶段模型揭示：46.7kPa刚性基底上的10μm方形柱最利于维持多能性（Oct4⁺），而6.1kPa平面基底则促进成熟肝细胞标志物CK18表达。

2.1.2 二维微图案的空间编程

600μm微接触印刷图案可诱导hiPSCs形成环形基因表达梯度：边缘50-70μm区域高表达多能性因子Oct4，同时伴随YAP/TAZ核定位。这种空间异质性通过单细胞测序被证实与TGF-β超家族成员（NODAL/LEFTY）的极性分布相关。更突破性的发现来自Srivastava的机械驱动原肠胚形成模型：将hiPSCs限制在250μm水凝胶（10kPa）上48小时后，细胞自发形成SOX17⁺内胚层和T/BRACHYURY⁺中胚层，该过程依赖Wnt非经典通路激活（被SFRP1抑制率达90%）。

2.2 纳米级拓扑的分子开关

碳纳米管（CNTs）展现独特优势：1-2nm直径的SWCNTs使犬iPSCs的Oct4表达量提升5倍，其导电性更促进动作电位传导效率。纤维素纳米纤维（CNF）则通过5-20nm纤维网络模拟天然ECM，使心肌细胞标志物TNNT2在14天表达量达对照组的2.3倍。而TaOx纳米点阵列的高通量筛选揭示：100nm直径点阵通过调控IGFBP7等黏附相关基因，可逆转低效分化细胞系（T0104）的 cardiomyogenic潜能。

3D培养新范式：液体-液体界面

Mojares开发的150μm氟化油微滴（β-乳清蛋白稳定）培养系统，使hiPSCs在无固体支撑条件下维持多能性。这种动态界面诱导的TNNT2⁺心肌细胞产量比传统方法提高40%，暗示液面张力可能通过未知的机械传导途径影响命运决定。

临床转化的挑战与机遇

尽管拓扑工程已使PSC衍生细胞的功能成熟度显著提升（如Parkinson病模型DA神经元放电频率达8Hz），但2025年Li的研究指出：800nm沟槽结构仅能使hiPSC-CMs的肌节排列指数达到成人心肌细胞的65%，需结合电刺激（1Hz）和脂质补充才能实现钙瞬变完全成熟。未来突破点在于：①开发低成本纳米压印技术（NIL）实现>1000cm²/h的拓扑基底生产；②建立多组学数据库解析H3K27ac等表观标记与拓扑特征的对应关系。