干细胞研究是再生医学的核心方向,如何通过生物材料的智能化设计实现干细胞行为的主动控制关系到干细胞和生物材料的未来发展。丝蛋白可被制成多种材料形式,具有可调的机械性能与可载药性,是研究干细胞分化、增殖和干性维持等细胞行为的理想备选材料。然而,丝蛋白多变的内在结构和不明确的组装机制极大限制了丝蛋白材料的制备和生物功能设计;也增加了以丝蛋白为基质整合多种影响因素,进行干细胞微环境体外构筑调控细胞行为的技术难度。为解决上述问题,本论文以课题组制备的丝蛋白纳米纤维为基础,通过物理和化学法调控其结构,深入研究丝蛋白结构和性能关系,设计具有特定结构和功能的丝蛋白材料,研究其对干细胞干性的调控行为。首先系统研究丝蛋白的结构变化对化学调控的影响规律,提出有效提高丝蛋白化学修饰性能的可行策略,加深对丝蛋白内在结构变化机制的理解。随后通过电场调控的方法制备丝蛋白凝胶,实现对囊胚腔内细胞团生长特定微环境的模拟,在不添加白血病抑制因子的情况下,实现胚胎干细胞干性的体外长效维持,并分析研究丝蛋白凝胶实现干细胞体外干性维持的内在机制。最后基于丝蛋白纳米纤维水凝胶材料对胚胎干细胞的干性维持效果,继续调节水凝胶的结构,探索其不同结构对不同干细胞的影响作用。具体内容如下:(1)丝蛋白结构对化学调控的影响作用。研究丝蛋白不同构象和纳米形貌对丝蛋白酚基功能化的影响,实验发现丝蛋白的构象组成和纳米结构会影响酚基的分布,从而影响功能化反应的速率和程度。随后,通过实验验证了纳米结构和构象的变化影响不同官能团分布以及各种功能化修饰的普适性,发现具有无规构象的丝蛋白纳米短纤维(amorphous silk short nanofiber,简称ASS)是进行功能化设计的优选材料。利用其稳定的纳米结构和可变的构象组成主动调控特定官能团的分布,成功实现基于不同官能团的高效修饰,提出基于丝蛋白纳米结构和构象变化实现“共修饰”设计的可行方法。(2)物理调控丝蛋白纳米纤维结构及其对干细胞干性的影响作用。在研究化学修饰影响丝蛋白功能的同时,以具有特殊体内微环境的胚胎十细胞为对象,利用丝蛋白纳米纤维主动构建同囊胚腔相似的微环境体系,以此为基础,研究包含多种物理因素的微环境仿生设计对胚胎干细胞行为的影响,在无外源性生长因子作用的条件下,实现胚胎干细胞长效的体外干性维持。通过干性基因和蛋白表达、多向分化能力、嵌合鼠实验等验证细胞的干性维持效果,从细胞粘附和诱导细胞自分泌活性成分等方面探讨了微环境仿生实现干性维持的可能机理。最后,利用丝蛋白材料的结构可调性,制备具有不同结构的丝蛋白水凝胶材料,初步研究了结构变化对胚胎干细胞、脂肪干细胞以及骨髓间充质干性细胞等干性维持的影响,为通过材料的设计,实现不同干细胞行为的主动调控提供一定的参考。