细胞-基质力学基础与应用

本书首先介绍了细胞与基质相互作用中生物力学的基本概念、研究方法和近期新的研究进展，进而深入讨论和剖析了细胞外基质的形成以及其与细胞的相互作用，接着讨论了微环境中各类因素对细胞与基质相互作用的影响，最后特别评述了细胞与基质相互作用在韧带、皮肤、神经、骨、半月板和椎间盘修复以及创伤愈合和发育中的应用。本书可供生物医学工程、力学、材料学、组织工程和再生医学 等领域研究人员、工程师、临床医生以及大专院校相关专业的教师、研究生和高年级本科生阅读参考。

第1章细胞生物力学基础1
1.1细胞生物力学特性1
1.1.1细胞对力学微环境的感知与响应1
1.1.2细胞的力学感知元件2
1.1.3细胞的力学转导元件3
1.2力学对细胞结构和功能的影响5
1.2.1力学对细胞膜的影响5
1.2.2力学对细胞骨架的影响6
1.2.3力学对细胞核的影响7
1.2.4力学对细胞黏附、铺展面积的影响8
1.2.5力学对细胞增殖、分化的影响9
1.2.6力学对细胞迁移的影响10
1.2.7力学对细胞凋亡的影响11
1.3细胞力学的测量方法与仪器11
1.3.1微管吸吮技术12
1.3.2原子力显微技术14
1.3.3磁珠扭转细胞测量术16
1.3.4光镊技术17
1.3.5光束拉伸技术19
1.3.6微柱阵列技术20
1.3.7牵引力显微镜21
1.3.8流室技术22
参考文献23
第2章细胞外基质形成31
2.1细胞外基质的组成成分31
2.1.1胶原32
2.1.2糖蛋白32
2.1.3糖胺聚糖及蛋白聚糖33
2.1.4弹性蛋白33
2.2细胞外基质材料34
2.2.1天然细胞外基质材料35
2.2.2人工细胞外基质材料36
2.3梯度功能材料的制备37
2.3.1梯度表面的制备39
2.3.23D梯度材料的制备44
2.4不同刚度基质的制备47
2.4.12D基质刚度模型的制备48
2.4.23D基质刚度模型的制备52
2.4.3不同基质刚度3D骨组织工程支架54
参考文献57
第3章细胞和细胞外基质的相互作用65
3.1基底刚度对干细胞生物学行为的影响65
3.1.1用于干细胞研究的不同刚度基质材料的制备方法65
3.1.2基质刚度对干细胞行为的调控作用67
3.1.3基底刚度对干细胞行为影响的机制69
3.2拓扑结构对干细胞生物学行为的影响71
3.2.1表面拓扑结构的制备方法71
3.2.2拓扑结构对干细胞生物学行为的调控作用80
3.2.3拓扑结构影响干细胞行为的内在机制85
3.3基质刚度对肿瘤发生发展的影响87
3.3.1细胞外基质与肿瘤微环境87
3.3.2基质力学与肿瘤的发生和发展88
3.3.3基质力学与肿瘤耐药性89
3.3.42D基质力学与肿瘤增殖、迁移和转移91
3.3.53D基质力学与肿瘤增殖、迁移和转移94
3.4基底刚度对肿瘤干细胞生物学行为的影响102
3.4.1肿瘤细胞的异质性102
3.4.2肿瘤干细胞103
3.4.3肿瘤干细胞龛109
3.4.4基质力学和肿瘤干细胞112
3.4.5肿瘤干细胞的力学特性114
3.5基底刚度对肿瘤细胞上皮间充质转化的影响114
3.5.1上皮间充质转化114
3.5.2上皮间充质转化与肿瘤116
3.5.3基质力学与上皮间充质转化118
3.6基底应变对细胞生物学特性的调控119
3.6.1基底应变力学加载装置的制备119
3.6.2施加基底应变对不同种类细胞生物学特性的影响120
3.6.3基底应变相关的信号通路研究122
3.7细胞和细胞外基质相互作用的力学信号转导123
参考文献125
第4章微环境对细胞-基质相互作用的影响139
4.1物理因子对细胞-基质相互作用的影响139
4.1.1物理因子对支架材料调控细胞功能的影响139
4.1.2物理刺激对细胞外基质分泌的影响153
4.2流体剪切力对细胞-基质相互作用的影响156
4.2.1流体剪切力在血管微环境中的作用157
4.2.2流体剪切力在肿瘤转移灶中的作用158
4.2.3流体剪切力在骨再生修复中的作用160
4.2.4流体剪切力在免疫/炎性微环境中的作用162
4.3超声联合干细胞对周围神经修复的影响165
4.3.1低强度脉冲超声对iPSCs-NCSCs活性与增殖的影响165
4.3.2低强度脉冲超声对iPSCs-NCSCs向神经元和施旺细胞分化的影响167
4.3.3基因表达谱分析超声对iPSCs-NCSCs基因表达的影响169
4.3.4低强度脉冲超声促进iPSCs-NCSCs增殖和分化的力学信号转导通路171
4.3.5低强度脉冲超声联合iPSCs-NCSCs在体修复大鼠坐骨神经损伤的研究171
4.4低氧对细胞和细胞外基质相互作用的影响174
4.4.1微环境174
4.4.2低氧环境对细胞的影响178
4.4.3低氧对肿瘤细胞—细胞外基质相互作用的影响180
4.4.4低氧对骨修复中细胞-细胞外基质相互作用的影响182
参考文献183
第5章细胞与基质相互作用中生物力学的应用197
5.1细胞-基质力学在韧带修复中的应用197
5.1.1材料的有序排列198
5.1.2材料的直径203
5.2细胞-基质力学在皮肤修复中的应用206
5.2.1材料表面结构207
5.2.2材料尺寸214
5.3细胞-基质力学在神经修复中的应用214
5.3.1基质刚度215
5.3.2支架材料拓扑结构218
5.4细胞-基质力学在骨修复中的应用222
5.4.1基质拓扑结构对骨修复的影响222
5.4.2基质刚度对骨修复的影响225
5.5细胞-基质力学在半月板和椎间盘修复中的应用230
5.6细胞-基质力学在创伤愈合中的应用235
5.7细胞-基质力学在发育中的应用240
5.7.1细胞和细胞外基质相互作用对细胞分化的影响241
5.7.2细胞-基质力学对胚胎发育的影响241
5.7.3生物力学应答过程中干细胞在分子水平和基因水平的变化243
参考文献246
附录257