基因疗法是指将经过设计与筛选的遗传信息编码通过载体导入到靶细胞内,通过纠正异常基因或填补空缺基因实现对相关疾病的治疗。该疗法已被广泛研究应用于各类疑难疾病的治疗,包括先天性遗传病、肿瘤、心血管疾病以及老年退行性疾病等。对靶细胞实现精确高效的基因递送是基因治疗的关键一环。对基因递送中所使用的基因载体的持续创新为基因疗法时代拉开序幕。然而传统体内基因疗法通过口服或注射的方式将基因载体输入人体。这一基因递送方式常常导致病灶位置基因浓度低,并且这些基因载体在人体内易受血清中的蛋白影响,或被免疫系统识别并清除从而导致转染效率大大降低。目前,表面介导基因转染被作为一个有效的方式解决这一问题。材料表面特殊的物理拓扑结构和丰富的化学修饰策略使得基因递送手段更为多样化。除此之外,与传统溶液转染相比,表面介导的基因转染有如下优势:(1)可以与生物医用材料相结合实现病灶处原位的基因治疗;(2)可以实现体外高通量的细胞转染。近年来随着体外疗法的成熟,集表面介导转染、细胞收集、材料循环利用为一体的细胞通用培养平台受到研究者的青睐。在这一背景下,本工作基于细胞内特殊的高浓度还原型谷胱甘肽(GSH)环境,设计了一系列响应性表面介导基因转染的平台。该工作为表面改性策略与物理拓扑结构的巧妙结合提供了全新思路。具体研究内容如下:1.硅纳米线阵列(SiNWAs)可以与哺乳动物细胞实现亲密、无毒的相互作用,与此同时SiNWAs独特的一维纳米结构—硅纳米线(SiNW)能够部分刺穿细胞甚至刺入细胞核,这一特性对难转染细胞的基因递送有着重要价值。已有案例表明利用阳离子聚合物对SiNWAs修饰可以有效提高其表面质粒的负载浓度进而提高基因转染效率。然而在这些案例中,阳离子聚合物对细胞的长期毒性和改性SiNWAs长度对细胞活性的影响都未被考虑。针对上述问题,我们在第一部分工作中制备了一系列阳离子聚合物改性的SiNWAs。通过对比我们发现,二硫键(S-S)交联的小分子PEI改性的SiNWAs不仅具有更低的细胞毒性,并且该聚合物在细胞内能够响应GSH环境触发断裂。除此之外,我们探究了改性SiNWAs长度对细胞活性的影响。结果表明,细胞在一定长度范围内的SiNWAs表面均能保持良好的活性,但是SiNWAs过长在改性过程中非常容易断裂,不利于后期聚合物的修饰。2.S-S键能够响应细胞内高浓度GSH环境而触发断裂。这一智能响应性被广泛应用于药物递送和非病毒载体的设计。然而受限于材料表面的平面结构,利用表面胞内GSH响应性介导基因转染的案例非常罕见。在第二部分工作中,我们创造性地将SiNWAs的细胞刺穿特性和可降解S-S键相结合,制备了响应胞内GSH环境进行高效基因转染并且细胞可快速收集的细胞工程化平台(SN-PEICBA)。该平台能够在有无血清的条件下对包括小鼠胚胎成纤维细胞在内的多种细胞实现高效基因转染。从SN-PEICBA表面收获的细胞显示出很高的生存力,并且通过S-S键置换在三个循环内可以实现平台表面的重复使用。这一平台在辅助体外细胞疗法和其他生物医学应用中有着巨大的潜力。3.在筛选GSH响应性聚合物的过程中,我们偶然发现内含可降解S-S键的PNIPAm纳米凝胶在S-S键断裂前后对细胞具有不同程度的粘附能力。在第三部分工作中,我们合成了一系列S-S键交联的PNIPAm纳米凝胶。通过筛选合适尺寸的纳米凝胶构建稳定的改性涂层,该涂层能够在纳米凝胶内部S-S键断裂前后实现对细胞粘附和脱附的转变,从而构建了一种能够快速响应体外GSH环境实现对转染细胞高效收集的通用涂层。