表面の粗さと基質の剛性は相乗的に細胞の機械的スポンを駆動する

材料表面の地形の特徴は、埋め込まれたデバイスの組織再生と表面処理に重要であることが示されています。表面粗さに対する細胞の反応に関して、多くの生体材料が調査されました。しかし、表面地形の特徴と基質の弾性特徴の不明確な相互作用、および機構的研究の欠如により、いくつかの結論は互いに矛盾していました。ここでは、ナノスケールから制御可能な剛性を備えた表面粗さをマイクロスケールに統合する広大な表面粗さ勾配ヒドロゲルが、正確な表面の形態を備えた軟質リソグラフィを介して開発されました。この有望なプラットフォームに基づいて、我々は、ヒト間葉系幹細胞（MSC）の機械感受性反応を、広範囲の粗さ（RQで200 nmから1.2μm）および異なる基質剛性に対する体系的に研究しました。MSCは、表面階層構造を再編成することにより、剛性依存の方法で表面粗さに反応したことが観察されました。驚くべきことに、細胞の機械的エンパンスと骨形成は、高い表面粗さを備えた非常に柔らかいヒドロゲル（3.8 kPa）で明らかに増強されました。これらの発見は、細胞と生体材料間の相互作用の理解を広げ、相乗的な物理的手がかりを介して幹細胞の運命を調節するための効果的な非侵襲的アプローチを強調しています。

Material surface topographic features have been shown to be crucial for tissue regeneration and surface treatment of implanted devices. Many biomaterials were investigated with respect to the response of cells on surface roughness. However, some conclusions even conflicted with each other due to the unclear interplay of surface topographic features and substrate elastic features as well as the lack of mechanistic studies. Herein, wide-scale surface roughness gradient hydrogels, integrating the surface roughness from nanoscale to microscale with controllable stiffness, were developed via soft lithography with precise surface morphology. Based on this promising platform, we systematically studied the mechanosensitive response of human mesenchymal stem cells (MSCs) to a broad range of roughnesses (200 nm to 1.2 μm for Rq) and different substrate stiffnesses. We observed that MSCs responded to surface roughness in a stiffness-dependent manner by reorganizing the surface hierarchical structure. Surprisingly, the cellular mechanoresponse and osteogenesis were obviously enhanced on very soft hydrogels (3.8 kPa) with high surface roughness, which was comparable to or even better than that on smooth stiff substrates. These findings extend our understanding of the interactions between cells and biomaterials, highlighting an effective noninvasive approach to regulate stem cell fate via synergetic physical cues.