物理微环境调控干细胞定向分化

Abstract

Stem cells have been regarded with promising application potential in tissue engineering and regenerative medicine due to their self-renewal and multidirectional differentiation abilities. However, their fate is relied on their local microenvironment, or niche. Recent studied have demonstrated that biophysical factors, defined as physical microenvironment in which stem cells located play a vital role in regulating stem cell committed differentiation. In vitro, synthetic physical microenvironments can be used to precisely control a variety of biophysical properties. On this basis, the effect of biophysical properties such as matrix stiffness, matrix topography and mechanical force on the committed differentiation of stem cells was further investigated. This paper summarizes the approach of mechanical models of artificial physical microenvironment and reviews the effects of different biophysical characteristics on stem cell differentiation, in order to provide reference for future research and development in related fields.

0. 引言

干细胞具有自我更新和多潜能分化的能力，是再生医学领域理想的种子细胞^[1]。干细胞龛（niche）是指体内干细胞所处的特殊微环境，包括干细胞与其邻近细胞之间的连接、特定的细胞外基质（extracellular matrix，ECM）和分泌因子^[2]。干细胞龛中的多种生长因子、ECM蛋白及特殊的空间结构维持着干细胞的自我更新和多向分化功能^[3]。一直以来，生物化学信号（如生长因子）参与调控干细胞功能的研究受到广泛关注，然而生长因子的使用往往造成不可预知的结果，甚至会造成恶性肿瘤的发生^[4]。生物化学因素调控干细胞分化的研究已经非常丰富和详实，但是越来越多的研究表明，干细胞龛中包含的特殊物理因素例如表面构象、基质硬度、传质能力等在调控干细胞分化功能方面同样起到了重要作用^[5]。这些因素被统称为干细胞的物理微环境，并且已经证明能够调控干细胞的增殖、铺展和分化等细胞生物学行为^[6]。随着微纳加工技术的发展，在体外人工构建干细胞的物理微环境的技术手段已经逐渐成熟。

本文首先概述了构建干细胞物理微环境中常用的技术手段，阐明了干细胞的力学特性和力学模型，然后详细描述了不同的物理因素对干细胞分化功能的影响及其相关分子机制。最后，本文对物理微环境调控干细胞分化相关领域仍存在的不足进行了总结，并对未来研究的发展进行了展望。

1. 人工构建干细胞物理微环境的技术手段

目前，构建细胞外的物理微环境有多种技术手段，包括基于材料的、基于力学加载的和基于微纳加工的技术手段等。

1.1. 基于材料的技术手段

1.1.1. 聚合物材料

聚合物（polymer）分为天然聚合物和合成聚合物。天然聚合物通过对特定组织和器官进行脱细胞处理即可获得。然而，天然聚合物具有异质性，难以根据临床应用的需求进行力学参数设计，同时存在引发宿主细胞的免疫排斥反应的潜在风险，限制了其在研究领域和临床中的应用^[7]。人工合成聚合物，如水凝胶，是通过亲水的天然聚合物和聚合材料化学交联获得，拥有良好的机械性能，因而常被用于干细胞微环境构建^[8]。不仅如此，通过复合材料和改性等手段能够改变人工合成聚合物的物理特性，如硬度和表面结构等，因此有利于研究生物物理因素对干细胞行为和功能的影响^[9]。

1.1.2. 陶瓷和金属材料

陶瓷和金属材料由于具有较高的力学强度，在干细胞促硬组织修复再生领域被广泛应用。羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）是一种天然存在于骨骼中的无机物陶瓷，但是其抗剪切和弯曲强度较差，限制了其应用^[10]。通过复合高分子材料，如丝素蛋白，构建复合HAP可提供更强的柔韧性和抗拉强度以用于匹配各种复杂的力学环境，如模拟新骨形成时的渐变力学环境，经证实能更好地促进硬组织修复^[11]。钛是一种广泛应用于人体骨骼、关节和牙齿的临床植入金属材料，具有良好的生物相容性，其抗拉强度能达到200～300 MPa。但是由于钛是惰性生物材料，不利于细胞的黏附，因此常通过表面改性和表面修饰的手段提高钛及钛合金的生物活性^[12]。

1.2. 基于力学加载的技术手段

1.2.1. 牵张力

生物体内的细胞暴露在各种不同的机械力环境中，如心肌细胞始终处于牵张应力环境。已有研究证明，模拟微环境中的力学因素对干细胞的分化具有重要的调控作用，不同大小、频率、加载时间的牵张力能够调控间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）向平滑肌、骨骼和软骨分化^[13]。目前，对干细胞加载牵张力通常是借助于生物反应器予以实施加载。常见的方法是将细胞接种于可形变的基底膜上，通过外力牵张基底膜从而对细胞施加牵张力。例如细胞牵张生物反应器（FX-5000，Flexcell，美国）能够通过牵张孔板底部的弹性基底膜对细胞施加精确控制的循环等轴牵张，现已广泛应用于干细胞成软骨和成平滑肌相关的研究^[14]。

1.2.2. 切应力

切应力是由血流和组织液流动产生的剪切力，在组织发育和心血管系统损伤修复的过程中起到重要作用。常见的切应力生物反应器有两种，基于旋转的反应器和基于流动泵的反应器^[15]。这些生物反应器能够在体外模拟定常流、层流和扰动流等不同类型的流体切应力，用于研究切应力对干细胞分化功能的调控。目前，已经证实切应力能够促进内皮祖细胞（endothelial progenitor cells，EPCs）、MSCs以及胚胎干细胞（embryonic stem cells, ESCs）向血管内皮细胞的分化^[16]。本课题组研究了切应力对牙周膜细胞的影响，结果表明定常流流体切应力能够促进牙周膜细胞的增殖并抑制其迁移^[17-18]。

1.3. 基于微纳加工的技术手段

1.3.1. 表面拓扑结构

通过电子束光刻等技术能够在基质表面制作几十纳米到数百微米且形状各异的拓扑结构，以用于模拟干细胞物理微环境中的形貌结构。拓扑结构的构型、刻蚀深度和排列等是调控干细胞行为的关键因素^[19]。通过微接触印刷技术能够实现细胞黏附蛋白在非黏附基质表面的微纳尺度的图案化，在二维（two dimensional，2D）和三维（three dimensional，3D）层面精确控制细胞形状和排列分布，并进一步调控干细胞的分化功能^[20]。例如，星型形状促进MSCs向骨分化，而花型促进MSCs向脂肪分化^[21]。Tang等^[22]利用二氧化硅构建了纳米级的肌肉和脊髓组织的复制体，这些复制体精确地保存了组织的3D超微形貌特征。实验结果表明，在肌肉复制体上培养的MSCs可表达肌细胞的相关标记物；而在脊髓复制体上培养的MSCs则分化为近似神经元的细胞。

1.3.2. 器官芯片

器官芯片是包含连续灌注腔室的微流体细胞培养设备。将干细胞接种在芯片的目的区域，可在毫米以及微米级别精确模拟组织或器官水平的各种力学环境，进而检测化学信号和物理信号的变化。相比动物实验或体外细胞培养，器官芯片技术由于能够更加精细模拟物理和化学微环境，近年来成为干细胞体外研究的热点技术。例如，Ronaldson-Bouchard等^[23]利用诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）构建了心、肝、骨和皮肤组织共培养的器官芯片。该器官芯片系统精确控制了不同组织之间的血液循环流动及渗透传质，确保相互关联的组织培养在各自特定的优化环境中。

1.3.3. 3D生物打印

3D生物打印（3D bioprinting）是组织工程领域最先进的技术之一。将细胞和快速成型的生物材料混合制备生物墨水，逐层在基质上打印复杂的3D组织结构。喷涂打印、激光辅助打印和挤压打印是目前三种主要的生物打印方式^[24]。通过调整生物墨水的成分和比例能够控制打印出的3D结构的力学性能。Turner等^[25]构建了改进的甲基丙烯酰化明胶的生物墨水，打印出的3D结构可促进MSCs和脐静脉内皮细胞的增殖和血管化，为干细胞促进组织伤口愈合提供了新思路。

1.3.4. 静电纺丝技术

静电纺丝技术能够将聚酯材料制备为仿生纤维支架。由于静电纺丝技术手段多样且重复性好，通过其构建的不同形貌结构的纳米纤维支架被广泛应用于组织工程。这种方法的最大优势在于能够精确控制支架的尺寸和形状，有利于模拟ECM的分层结构^[26]。静电纺丝制备的聚合纤维支架能够为干细胞提供充分的附着表面积，并且易于通过化学基团修饰进而改变自身的机械特性如硬度、表面形貌和孔隙率等，以调控MSCs向成骨细胞分化的功能^[27]。

2. 干细胞对生物物理信号的响应及模型的构建

2.1. 生物物理信号的感知及机械信号转导

干细胞对生物物理信号的响应表现在干细胞能够感知物理微环境，并且能够将细胞外的物理信号转导产生生物信号，这个过程依赖于干细胞内独特的生物结构。细胞骨架、细胞核和细胞膜等结构表现出黏弹性的力学性质，能够响应拉伸、剪切、压缩等物理微环境中的力学行为。其中，细胞膜上的黏着斑是干细胞感知物理微环境的主要机械敏感受体。黏着斑由整合素、桩蛋白和踝蛋白等多种黏附分子组成，能够与ECM中的配体相结合并感知如基质硬度、形貌等物理信号^[28]。黏着斑不仅能够感知细胞外的物理信号，还能通过与肌动蛋白细胞骨架的复合将物理信号传递到细胞内部，并诱发一系列的生物信号分子的级联反应，最终影响细胞核内基因的表达进而调控细胞功能。这个过程也称为机械信号转导（mechanotransduction），机械信号转导能够直接影响干细胞的分化功能^[29]。然而物理微环境对干细胞功能的影响较为复杂，机械信号转导的内在机制尚未得到充分的生物学解释。

2.2. 干细胞感知物理微环境的力学模型

从生物物理及力学角度分析，细胞与物理微环境之间的相互作用可以通过成熟的力学模型框架描述，例如Chan等^[30]建立的“肌球蛋白—黏附蛋白（motor-clutch）”模型已经被广泛应用于描述细胞在弹性基质上的黏附和迁移等细胞行为。在该模型中，细胞收缩力由肌球蛋白（motor）产生，而黏附蛋白（clutch）与基质弹性连接。因此，通过胡克定律表征黏附蛋白和基质之间的收缩力F，如式(1)所示：

1

其中，k代表基质的硬度，δ_x代表黏附蛋白的伸长量。收缩力F和肌动蛋白向细胞内的流动可表征为线性关系，如式（2）所示：

2

其中，v是肌动蛋白流动的有效速率，v₀是不受力时肌动蛋白流动的速率，F_stall是肌动蛋白静止时，肌球蛋白施加的收缩力。该模型能够预测细胞在不同硬度上的收缩力变化。

改进的motor-clutch模型能够用于描述物理微环境对干细胞分化的调控。例如，Wan等^[31]通过建立motor-clutch模型描述黏着斑的活化。硬基质能够通过黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）激活细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）（包括ERK1和ERK2）信号通路促进MSCs向成骨细胞分化。在该模型中，基质硬度E和FAK的激活关系描述如式（3）所示：

3

其中K_FAK-on是FAK整体的激活速率，K_2f-s是硬度介导的FAK激活速率，a和b为拟合参数，C_integrin-on是活性整合素分子的浓度，C_FAK-off是失活的FAK分子的浓度。而ERK信号通路的激活通过与FAK的激活关系如式（4）所示：

4

其中，K_ERK-on是EKR分子整体的激活速率，K_3f是受FAK介导的ERK激活速率，C_FAK-on是激活的FAK分子的浓度，C_ERK-off是失活的ERK分子的浓度。

物理微环境调控干细胞分化的模型构建需要耦合干细胞对物理信号的感知和对机械信号的转导两个过程，量化生物物理刺激和干细胞分化水平之间的关系，为分子层面深入理解生物物理因素介导干细胞分化的生物学机制提供了理论工具，推动了物理微环境对干细胞行为和功能的相关研究。

3. 物理微环境调控干细胞分化

2006年，Engler等^[32]证明了在软的基质上MSCs向神经分化，而在硬的基质上向骨分化，这是物理微环境调控干细胞分化能力的重要依据。随着相关研究的展开，研究者发现不仅是基质硬度，基质形貌和机械力刺激等因素也能够调控干细胞的分化。随后，通过模仿自然组织的生物物理特性制备人工物理微环境的相关研究得到了广泛开展。

3.1. 基质硬度

基质硬度代表了细胞黏附的载体抵抗形变的能力。生物体内不同组织硬度差异较大，不同的硬度对于干细胞向特定谱系分化有重要影响。Kim等^[33]制备了硬度梯度从脂肪到肌肉的生理组织范围（5～15 kPa）的甲基丙烯酰化明胶水凝胶，用于调控脂肪干细胞（adipose-derived stem cells，ADSCs）的分化。结果表明，在硬基质上（15 kPa）的ADSCs表达较高水平的肌肉相关蛋白，细胞伸展并变硬，表现出向肌肉细胞分化的特征。基质硬度还被证明能够与其他物理因素协同调节干细胞的分化，Oh等^[34]利用不同硬度的石墨烯支架结合电刺激促使iPSCs向神经细胞分化，结果表明较软硬度（3 kPa）支架上培养的iPSCs生成的神经元具有更加成熟的电生理特性。

基质硬度对干细胞分化能力的调控在动物实验中同样被证明。Huebsch等^[35]将不同硬度包裹着MSCs的海藻酸钠水凝胶注射到裸鼠体内。经过12周的培育后，硬度为60 kPa的水凝胶最有利于骨再生。Dunham等^[36]将ADSCs接种在软基质上（1 kPa）用于维持ADSCs的多向分化潜能，随后将ADSCs植入大鼠创伤后的肘关节挛缩模型中，结果表明软基质上的ADSCs相比于对照组能够显著减少纤维化的发生。Bae等^[37]开发了一种硬度与脑组织相似的生物墨水并将神经干细胞（neural stem cells，NSCs）与这种墨水混合植入大鼠大脑运动皮层，移植后的NSCs分化为成熟神经元的效率显著提升。

基质硬度同样能够影响临床干细胞治疗的效果，Morrison等^[38]利用β—磷酸三钙制备生物陶瓷颗粒并将MSCs接种在颗粒表面用于颅骨损伤的修复。结果表明，3个月后颅骨修复的效果良好，无并发症；然而，12个月后在患者的损伤部位发现骨吸收现象，这是由于颗粒结构的硬度不足导致实心骨形成受阻。

现有的基质硬度对干细胞分化功能调控的研究仍存在不足。这些研究大部分利用了纯弹性模型的基质材料，但是大部分的器官组织实际上具有黏弹性的特性。黏弹性生物材料已成为当下研究的热点，例如Vining等 ^[39]利用海藻酸盐和胶原交联构建了可调节硬度的黏弹性水凝胶，并证明MSCs在不同硬度和黏弹性培养条件下表达的免疫调节标记物有较大差别。

3.2. 基质形貌

除了基质硬度外，基质表面形貌也是重要的物理微环境因素之一。基质形貌能够影响干细胞的铺展面积、细胞形状、细胞排列以及亚细胞结构的生成。

McBeath等^[40]最早发现了黏附面积能够调控干细胞的分化功能。他们的研究展示了面积为1 024 μm²的MSCs向脂肪分化和面积10 000 μm²的MSCs向骨分化。Jiao等^[41]同时探究了细胞铺展面积和细胞形状对MSCs分化的调控作用。结果表明，形状为圆形的MSCs的向骨分化被抑制，而铺展面积较大（2 512 μm²）且形状为方形的MSCs向骨分化。本课题组探究了细胞排列对干细胞分化功能的影响，定向排列的牙周膜细胞促进了干性维持并抑制了向骨和脂肪的分化^[42]。

纳米级的基质形貌能够直接影响亚细胞结构，如黏着斑的形成。Coyer等^[43]研究证明，当基质上正方形纳米微柱的边长小于333 nm后，接种在基质上的MSCs整合素表达及黏着斑形成大幅降低，向脂肪分化。Changede等^[44]设置了不同间距和排列方式的纳米纤维，30 nm以下的纳米纤维构建的基质不支持MSCs的铺展和黏着斑的形成。Pedrosa等^[45]制备了直径100 nm左右但间距不同的纳米微柱，结果表明培养在间距小于140 nm纳米微柱上的MSCs骨架形成更快、向骨分化的能力更强。Guo等^[46]构建了从10～4 700 nm大小不同的纳米级微孔，结果表明较小的微孔（200 nm）促进MSCs向骨分化，而较大的微孔（4 000 nm）促进MSCs向肌肉分化。

基质形貌的相关临床应用主要集中于仿生支架的表面改性和表面修饰。He等^[47]利用胶原修饰构建了可注射的多孔水凝胶支架作为MSCs的载体，并应用于临床慢性缺血性心脏病的治疗。结果表明，植入了黏附MSCs支架的患者平均梗塞面积减少了3.1%，仅注射了MSCs的患者平均梗塞面积增大了5.19%，而对照组的患者平均梗塞面积增大了8.59%。这项研究首次评估了可注射的干细胞负载支架对于心脏修复的临床效果。但是相关临床研究并未与基质形貌建立更深入的联系，这一领域在未来可能会被逐渐重视。

3.3. 机械力刺激

机械力刺激也是干细胞物理微环境中重要的影响因素，生理状态下的细胞与ECM接触并感知外部应力^[14]。如上文所述，机械力刺激有很多不同的类型，如切应力、牵张力、静水压力等；机械力的大小、持续时间和频率等因素均能够调控干细胞的分化^[48]。

Zhang等^[49]对MSCs施加10%的循环牵张力后，MSCs成骨向特异性标志物的表达明显升高。Walters等^[50]的研究表明，10%应变、1 Hz的牵张力能够促进ADSCs向平滑肌细胞分化。Yan等^[51]的研究表明，5%应变、1.25 Hz的循环牵张力能够有效促进内皮祖细胞向成熟的内皮细胞分化，并且促进血管生成。

有研究表明，向MSCs每天加载6 h脉冲流动剪切力，持续7 d后即使较小的切应力（0.006 Pa）也能显著促进MSCs的增殖以及向骨分化^[52]。Sone等^[53]构建了气道微流控芯片的模型，对微流控芯片内的iPSCs加载流动剪切力能够促进其向多毛细胞分化并能够用于气道疾病相关的药物筛选。Huang等^[54]的研究表明，流动剪切力对干细胞分化的调控存在阈值效应。大于等于1 Pa的流动剪切力能够促进iPSCs向血管内皮细胞分化并抑制淋巴标记物的表达。本课题组的研究表明，流体剪切力能够促进牙周膜干细胞向骨分化并抑制增殖和迁移^[55]。

机械力促进组织再生修复很早就被应用于临床，例如牵张成骨术等^[56]。另有临床研究发现，对于低骨量肿瘤幸存儿童，加载低强度、高频率的牵张力能够有效提升其峰值骨量^[57]，但该临床研究并未深入研究其相关的机制。

4. 物理微环境调控干细胞分化的分子机制

如上文所述，物理微环境中的生物物理因素能够调控干细胞的分化功能，这个过程依赖于干细胞对于物理微环境的感知。干细胞能够感知到细胞外生物物理刺激并将其转化为细胞内的生物学信号。这些生物学信号通过一系列信号通路的传递进而调控干细胞的行为，包括增殖、凋亡和分化等。本文将详细介绍几种对生物物理因素敏感的信号通路，包括Wnt信号通路、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）信号通路和Hippo信号通路。

4.1. Wnt信号通路

Wnt信号通路包括经典和非经典的途径。在经典的Wnt途径中，Wnt的主要效应分子是β—连环蛋白（β-catenin），在Wnt信号通路尚未激活时，β-catenin能够与轴蛋白（Axin）和腺瘤性结肠息肉病（adenomatous polyposis coli，APC）蛋白形成复合体。这个复合体是酪蛋白激酶（casein kinase Ⅰ，CK1）和糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）酶的底物，最终形成β-catenin-APC-Axin-CK1-GSK-3β的复合体，抑制了β-catenin的磷酸化，进而抑制了下游的转录过程。反之，Wnt信号通路激活时，β-catenin与卷曲受体（frizzled receptor，FRZ）结合，破坏了上述复合体的形成，磷酸化的β-catenin则进入细胞核激活下游转录过程。非经典的Wnt信号通路包括Wnt/c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）途径和Wnt/钙离子（Ca²⁺）途径。在Wnt/JNK途径中，Wnt配体与细胞膜上的FRZ和Frizzled家族跨膜受体蛋白Dishevelled（Dsh）结合（Wnt-FRZ-Dsh），并激活蓬乱蛋白相关形态形成活化因子1（dishevelled-associated activator of morphogenesis 1，DAAM1），进而激活三磷酸鸟苷 （anosine triphosphate，GTP）与Ras相关C3肉毒素底物1（Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1，Rac1）蛋白和Ras同源基因家族成员A（Ras homolog gene family member A，RhoA）蛋白结合。RhoA是肌动蛋白聚合的主要调节因子，因此JNK途径的激活与细胞骨架重塑密切相关。在Wnt/Ca²⁺途径中，细胞膜上的Wnt-FRZ-Dsh复合体导致细胞内Ca²⁺的释放，进而影响调控细胞功能^[58]。

已经有很多研究表明，Wnt信号通路受到细胞外物理微环境的调控^[59]。例如，Joshi等^[60]将MSCs接种在3D胶原水凝胶中，发现硬度较高（600 Pa）的水凝胶激活了Wnt/β-catenin信号通路，进而促进了MSCs向心肌细胞分化。

4.2. MAPK信号通路

MAPK是一系列特殊的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，能够对不同的细胞外生物物理刺激做出反应。MAPK信号通路由几条独立的通路组成，其主要的下游分子包括ERK1/2、JNK和p38 MAPK激酶等。细胞膜上的受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs）的激活促进GTP复合体的激活进而调控相关蛋白功能，最终激活MAPK/ERK信号通路。JNK能够被物理微环境的应力刺激和其他生长因子激活，进而调控转录活性。G蛋白通过蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）/蛋白激酶C（protein kinase A，PKC）激活p38 MAPK激酶，促进p38 MAPK激酶入核并调节各种转录因子^[61]。

MAPK信号通路与干细胞的增殖和分化密切相关，其下游分子受到细胞外物理微环境的调控。例如，Šimoliūnas等^[62]的研究表明，硬基质（40 kPa）通过激活ERK、JNK和p38促进MSCs的增殖。

4.3. Hippo信号通路

Hippo信号通路最早在果蝇中发现。在哺乳动物中，Yes相关蛋白（Yes-associated protein，YAP）和具有PDZ结合基序的转录共激活因子（transcriptional coactivator with PDZ-binding motif，TAZ）是Hippo信号通路的关键效应因子。YAP和TAZ是同源异构体，已证明是对机械信号敏感的转录共激活因子，它们在细胞质和细胞核中穿梭进而调控下游基因转录。细胞核中YAP/TAZ能够与转录因子TEA结构域家族成员（TEAD）相互作用调节相关基因的转录。因此，YAP/TAZ的核质占比常用于作为细胞对机械刺激相应的标志。YAP/TAZ作为机械敏感的转录因子受到了广泛的关注，例如Li等^[63]制备了天然胶原骨再生膜并增强其基质硬度，结果表明改良的骨再生膜能调控YAP/TAZ入核，并且促进MSCs向骨分化，加速了骨再生。

此外，Hippo信号通路与其他信号通路（如Wnt）存在交叉串扰的现象，共同响应物理微环境因素对干细胞的调控^[64]。

5. 总结和展望

生物体内特定的物理微环境在调控干细胞自我更新和分化功能等方面发挥着重要的作用。通过体外模拟物理微环境的方法，研究者能够在体外探究生物物理刺激和干细胞分化功能之间的内在联系。本文首先综述了常用的构建物理微环境的技术手段及物理微环境相关的力学模型。在此基础上，本文综述了各种生物物理刺激调控干细胞分化的相关研究，并深入介绍了一些力学敏感因子和响应的信号通路机制。

但是，目前有关物理微环境调控干细胞分化的相关研究仍面临巨大的挑战。首先，构建物理微环境的技术手段存在较大的材料水平的差异。不同种类的干细胞对于物理微环境的生物学响应也并不一致，因此本领域的相关研究难以得到统一的结论。现有的多数研究使用2D模型构建物理微环境，这与干细胞所处的真实的微环境有很大区别。已经有研究表明，干细胞在2D和3D培养条件下的分化功能有较大差别。3D条件下物理微环境对干细胞功能调控的相关研究仍需进一步深入。其次，物理微环境对干细胞分化功能的调控过程中涉及了复杂的力学转导调控机制，相关机制研究仍存在大量未知谜团。最后，由于干细胞治疗尚存在安全性和伦理问题，干细胞治疗领域在临床上的研究一定程度上受到限制^[65]，因而限制了物理微环境调控干细胞分化功能的深入研究与临床应用。

未来，随着工程手段的技术革新，人们有理由相信基于人工物理微环境调控干细胞功能的相关研究会迎来更大的突破并服务于临床干细胞再生医学。

重要声明

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：李驰宇为综述主要撰写人，完成文献资料的整理、收集与分析，以及综述初稿的撰写；樊瑜波指导论文写作，负责修改意见的处理；郑丽沙为论文的构思者及负责人并承担审校工作。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（32171310，11972067，U20A20390，11827803）；中央高校基本科研业务费，“111”计划（B13003）