现代医疗技术发展迅速,但组织或器官的修复依旧是临床医学所面临的重大难题。为了实现组织修复或者组织重建的目的,一种以现代工程技术与生物医学交叉融合,并应用于临床治疗的新学科——组织工程应运而生。组织工程的三要素包括,干细胞、支架材料和对细胞分化进行调控的生长因子。组织工程用的干细胞自人体中提取,其具有自我更新能力、多向分化潜能等特点,是利用组织工程手段进行组织或器官修复和再生的主要细胞来源。而如何诱导干细胞进行定向分化,自主调控干细胞命运,一直是研究者们面临的一个重要难题。细胞在生物体中所处的环境是一个三维动态微环境。在这个动态微环境中,存在着许多因素,例如:细胞外基质,细胞与细胞之间的相互作用,机械刺激产生的物理、化学以及生物信号等等,都在影响控制细胞的迁移、增殖和分化等行为。而在这些因素中,特定的物理、化学以及生物信号调控干细胞定向分化是目前最简便有效的方法。并且,细胞外基质中含有大量的纳米尺寸的胶原蛋白纤维以及其他微米尺寸的结构,这些结构与周围的物理和化学微环境的相互作用也影响着细胞的功能与行为。因此,利用纳米材料模拟细胞外微环境中的物理、化学以及生物信号调控干细胞定向分化作为一个可行方法在再生医学以及组织工程领域中得到研究者的青睐。已有研究者使用纳米材料的微纳拓扑结构与材料产生的物理信号对干细胞的分化进行定向调控,在一定程度上取得了成功。物理信号与化学信号和生物信号相比,具有稳定性好、可以对干细胞实现长期调控的优势,并且细胞丝伪足以及细胞膜上的跨膜蛋白可以通过与材料的接触更好的接收细胞外界的信号,有利于促进细胞分化。在最近几年的研究中,研究者大多利用人工合成的二维平面材料诱导干细胞定向分化,但由于人工合成的材料在合成时往往受到经济条件以及可操控性等因素的限制,使得材料无法大规模批量生产。而自然界中存在着一些具有独特并有序的生物质微纳结构材料,例如叶子、花瓣、木头等。这些材料来源丰富且极易获取,具有一定的生物相容性以及生物可降解性,为组织工程提供了一个新的材料思路及模板。与传统的二维平面材料相比,三维立体材料的结构与人体中局部的网络结构更加相似,并且在相同的空间中,三维立体材料有利于实现更多干细胞的增殖和分化。例如,利用静电纺丝技术制备的铁电聚偏氟乙烯（PVDF）纤维膜具有着一定的三维立体结构,可以实现细胞的三维培养。同时,电刺激也被证实是一种切实有效的调控干细胞命运的方式。因此,在组织工程和再生医学领域中,利用三维立体材料自身物理化学性质诱导干细胞分化更贴近实际临床应用。本论文利用三维立体微纳材料构建细胞外物理微环境和化学微环境,并且利用细胞与材料的接触,通过材料纳米结构对干细胞分化进行调控。本论文的具体工作包括以下两个部分:1.利用植物材料表面的微纳地貌诱导人源脂肪间充质干细胞成骨分化:本文将一种具有天然微纳结构的拉菲草作为研究对象,通过研究拉菲草正反面的不同的微纳结构,利用人体脂肪来源干细胞作为种子细胞,对天然微纳结构在干细胞命运调控方面的作用展开了研究。研究发现:（1）拉菲草叶子正反表面具有不同的显微结构,正面结构为是直径为50-100nm不等的纳米棒状阵列结构,反面结构为直径约10-15μm的蜂窝状微纳结构。（2）拉菲草具有很好的细胞相容性。与表面皿培养的细胞相比,细胞在拉菲草正、反表面培养5天时,细胞数量分别为表面皿上细胞数量的80%和60%,展示出了良好的增殖趋势。当细胞在不同样品上培养2天后,细胞活死染色结果显示细胞在拉菲草不同表面上保持着良好的细胞活性;并且细胞骨架染色以及脱水电镜证实,接种在不同拉菲草表面的脂肪干细胞在2天时贴附良好并且已有成骨分化的趋势,尤其是接种在蜂窝状微纳结构上的细胞,骨架呈现出骨细胞样的多边形形状;（3）研究植物表面微纳结构对干细胞分化性能的影响。PCR实验表明,拉菲草不同表面的微纳地貌促进人源脂肪干细胞的Runx2,骨桥蛋白（OPN）以及骨钙蛋白（OCN）基因表达,尤其是OCN基因,在21天后,拉菲草的正面和反面上细胞的OCN表达量分别增长了约55倍和36倍。通过碱性磷酸酶试剂盒的检测以及特异性免疫荧光的染色结果表明,拉菲草不同表面的微纳地貌都能促进碱性磷酸酶,OPN以及OCN蛋白的表达。通过钙结节染色证明了拉菲草的不同微纳地貌可以促进脂肪干细胞钙沉积的上调。并且,由以上结果综合得出,拉菲草背面的蜂窝状微纳结构比拉菲草正面的纳米棒状结构更促进脂肪干细胞的成骨分化;（4）在本部分研究中,我们首次成功的实现利用天然植物表面微纳结构诱导干细胞成骨分化。研究不但证实了天然结构对干细胞分化的作用,而且为生物材料结构设计提供了重要的设计思想;2.利用外场超声波刺激压电材料FeOOH/PVDF纺丝膜诱导干细胞神经分化:（1）利用静电纺丝技术制备出单根纺丝纤维直径为600纳米的PVDF纺丝膜,并使用水热合成的方法,在PVDF纺丝膜上生长出平均长度和宽度分别为700 nm和120 nm左右的棒状FeOOH。通过SEM、EDS、XRD、FTIR等测试表明FeOOH均匀生长在PVDF纺丝纤维膜上。由PFM测试证实FeOOH/PVDF纺丝膜具有良好的压电性;（2）FeOOH/PVDF纺丝膜具有良好的细胞相容性。通过细胞活性实验证实,在不同超声环境下,接种在FeOOH/PVDF纺丝膜上的鼠源骨髓间充质干细胞细胞增殖情况良好,细胞在培养第3天和第5天时,Fe OOH/PVDF纺丝纤维膜上培养的细胞数量占TCP上培养的细胞数量的53%-112%和78%-107%左右。并且,通过CCK-8结果显示,在400 W超声波处理下培养的细胞表现出优异的状态,并具有与在玻片上培养的细胞相似的增殖趋势。当细胞在不同样品以及不同超声环境下培养2天后,细胞活死染色结果显示细胞在不同样品表面上呈现出良好的细胞活性。并且通过细胞骨架染色以及脱水电镜证明,在不同样品以及超声环境下培养的细胞贴附情况良好,并且与2天时的骨架相比,10天后的细胞骨架更加趋向于神经状的细胞形貌;（3）为了进一步验证超声环境下FeOOH/PVDF纺丝纤维膜是否可以促进干细胞神经分化,使用超声波破碎仪构建一个外场超声波源来模拟体外施加超声刺激对鼠源骨髓间充质干细胞的分化影响。PCR实验结果表明,在特定的超声环境下,压电性材料促进鼠源间充质干细胞的巢蛋白（Nestin）,微管相关蛋白2（MAP2）,II级Β-微管蛋白（Tuj1）基因表达。特别是接种在FeOOH/PVDF纺丝纤维膜上的细胞,在400 W超声环境下培养21天时,Nestin,MAP2,以及Tuj1基因分别为培养板上基因含量的89,220和127倍。特异性免疫荧光的染色结果表明,在400 W超声环境下,FeOOH/PVDF纺丝纤维膜能够促进细胞Nestin,MAP2,以及Tuj1蛋白的表达。由以上结果综合得出,400 W超声环境下,FeOOH/PVDF纺丝纤维膜更有利于促进鼠源间充质干细胞的神经样分化;（4）因此,在没有其他神经诱导存在的前提下,利用超声波破碎仪提供的超声波使FeOOH/PVDF纺丝纤维膜产生形变,进而产生电荷释放,使局部释放电刺激信号并通过材料与干细胞的直接接触作用传至细胞内部,促进了相关基因的表达,进而加速了干细胞自发进行神经干方向分化的进程。同时,FeOOH/PVDF纺丝纤维膜独特的纳米形貌以及Fe³⁺对脑源性神经营养因子（BDNF）合成的促进作用同样加速了干细胞自发进行神经分化的进程。这项研究在压电的基础上证实了纳米地貌对干细胞分化的影响,从而为干细胞神经方向分化提供了模型结构,对神经修复与再生有着重要的意义。本篇论文旨在针对现阶段组织与器官的修复与重建所遇到的难题,利用组织工程学的理论知识,结合微纳材料构建出细胞外纳米微环境并利用其物理化学性质调控干细胞命运,为临床医学或再生领域提供一些思路或理论基础。