细胞所处的微环境在调节细胞形态变化和生理功能等方面起着至关重要的作用,由细胞外基质(Extracellular Matrix,ECM)以及能够促进和调节细胞功能的生物化学分子组成。在过去十几年的研究中,越来越多的实验表明,生物细胞所处的微环境的力学和几何信号在调控细胞行为和功能等方面,和传统的生物化学因素一样至关重要。也有很多实验观察到体内各种微/纳米拓扑结构引导下的细胞迁移以及肿瘤细胞的侵袭/转移过程。生命体的胚胎发育,组织形态,甚至是肿瘤细胞的侵袭等过程,曲率环境都有很重要的参与。近年来已有很多研究通过构建微沟槽、微柱等多种拓扑结构的微表面,初步探讨了细胞尺度地形结构对细胞行为的影响。细胞对生化、机械和拓扑信号的积极响应影响了细胞形态及其活动。细胞形态的变化主要是由肌动蛋白纤维的粘着以及相关的内力变化引起的,肌动蛋白纤维的粘着力是根据ECM或邻近细胞的刺激而发生的。了解ECM中细胞力学信号的传递以及贴壁细胞对ECM的几何信号刺激下的活性/反馈的物理学机制,对于理解许多像伤口愈合、组织生长/再生/发育等生物过程是很重要的。细胞已经进化出多种机制来很好地适应它们的环境。虽然已经有很多研究解释了细胞在二维拓扑结构上运动的机制,但是体内的真实环境大多都不是理想实验条件下的二维平面,所以研究细胞在三维空间里二维曲面上的运动,解释细胞在该拓扑结构下细胞运动的具体物理机制变得尤为重要,因为ECM的机械和几何信号通常更容易控制和改变,并且产生的效能可能比生物化学因子或遗传物质操作更永久。这里我们选择研究的是,贴壁细胞对不同曲率信号的迁移响应。拓扑基底的构建是研究三维几何结构对细胞运动影响的重要基础。微纳米加工技术在生物微流控等方面的广泛应用,为构建不同ECM结构提供了可能性。在这里,我们选择具有生物相容性较好和强透光率性质的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)来制备几种不同几何信号的基底,通过设计较高轴长(300微米)的圆柱,以提供给细胞足够的运动空间,和设计不同曲率半径的圆柱来控制曲率变化,从而实现对于基底几何性质的改变。在模板的制作上,我们对比使用了两种制作方法,根据实验需要,选择了一种能够制备出平整光滑表面的模板制作方法,并希望在以后类似的实验中得到推广。在细胞的选择上,我们首先选择了具有较快运动速度且带有绿色荧光蛋白的人体乳腺囊肿细胞(上皮细胞,MCF-10A-GFP),用于更好的标定细胞的位置。随着研究进程的推进,以及证明运动规律的普适性,我们还选择了具有较强应力纤维的小鼠胚胎成纤维细胞(成纤维细胞,NIH-3T3)来进行相同的细胞实验。通过长时间的细胞运动轨迹追踪,我们进行了大量的数据分析。并在此基础上还进行了细胞内细胞骨架微观结构的标定成像,用于更好地解释在曲率体系下,细胞运动的变化。我们实验结果显示这种迁移行为明显不同于细胞在平面上的运动。在平面上,细胞通常会以随机运动的模式向所有方向迁移,细胞在各个方向上出现的概率均等。而在不同曲率的圆柱上,细胞会明显的出现运动方向的偏向性。由此展示了细胞的一种新的能力,我们称之为细胞运动的“曲率趋向性”,这使得细胞能够对细胞尺度不同的曲率信号作出反应。我们发现曲率信号不仅能加快细胞运动,而且也影响了细胞对于不同运动方向的选择,还在一定程度上降低了细胞运动方向的相关性。综上所述,本研究开发了构建细胞运动的三维曲率模型,总结不同细胞在不同曲率基底上运动变化的规律,并尝试用物理模型及胞内本身的微观结构来解释其内在机制。这也将为生命科学研究和临床医疗应用,特别是再生医学和组织工程等领域的发展提供新的应用理论基础。