生物材料的表面电势在介导细胞分化和指导细胞命运方面起着极其重要的作用。然而，相关研究一般只专注于调控单一的同种表面电势以影响细胞行为，很少有报道会合理地组合运用不同种的表面电势以发挥出其促成骨功能的最佳效果。


本文通过在氧化铟锡（ITO）平面微电极上覆盖铁电性的聚偏氟乙烯三氟乙烯(P（VDF-TrFE）)薄膜的方式(即P（VDF-TrFE）ITO)，构建出具有长程表面电势（电场诱导）和短程表面电势（电荷诱导）可调制的表面，并从长短程表面电势协同作用的角度，开展了材料表面电势对间充质干细胞（MSCs）成骨分化行为的调控规律和作用机制的研究。

主要取得了如下的研究成果:通过旋涂法和流延法可分别制得纳米级和微米级的P（VDF-TrFE）薄膜，即形成n-P（VDF-TrFE）ITO和μ-P（VDF-TrFE）ITO。


在旋涂法中，薄膜的厚度主要取决于溶液浓度和旋涂层数;当膜厚达470 nm时，可以很好地隔绝ITO微电极的图案化形貌、微电流和可能存在的电化学效应。


在流延法中，薄膜的厚度基本只与溶液浓度密切相关;当膜厚达3.5μm时，P（VDF-TrFE）呈现出良好的结晶性且能被有效电极化。


采用ITO微电极施加电场和接触式电极化P（VDF-TrFE）薄膜的方式，即可使μ-P（VDF-TrFE）ITO单独或同时具备长程和短程表面电势，且其大小分别受施加电压(VEF)和压电系数(d33)所调制。


当μ-P（VDF-TrFE）ITO单独产生长程表面电势或短程表面电势并作用于MSCs时，两种电势均可以有效地促进MSCs的增殖和成骨分化，其中长程和短程表面电势的最佳值分别对应于VEF=1 V和d33=-1.5 pC/N。


当长程表面电势和短程表面电势同时操纵时，可进一步显著增强表面电势促MSCs成骨分化的效果，其最佳组合正好是长程表面电势和短程表面电势单独作用时最佳值的叠加，显示出长程和短程表面电势在共同增强细胞成骨分化中各自独立地发挥作用。


通过对钙离子和整合素介导的相关成骨信号通路的基因测定，μ-P（VDF-TrFE）ITO表面电势对MSCs成骨分化的作用机制可认为是:长程和短程表面电势分别强化激活钙离子介导的PKC和整合素介导的FAK两个上游信号通路，这两信号通路可能在信号级联的下游产生串扰，从而协同增强ERK的活化，最终显著地上调了成骨基因Runx2的表达。上游信号通路的独立性，决定了长程和短程表面电势共同作用时的表观叠加性。


本文工作对加深认识和理解表面电势与细胞的相互作用有着重要的贡献，对植入体的表面设计也有着重要的理论指导意义。