基于L-DOPA的仿生表面修飾及碳量子點熒光探針用于細胞的可控與可視化研究.pdf

1、伴隨經(jīng)濟的發(fā)展，脊髓損傷的發(fā)病率也在增加。神經(jīng)干細胞移植是治療脊髓損傷最具前景的方法，研究利于神經(jīng)干細胞生長的組織工程支架對脊髓損傷的治療有重大意義。組織工程的“三要素”為支架材料、種子細胞和生物活性分子，其中支架材料的構(gòu)建是組織工程研究的重點。對支架進行適當?shù)男揎?，以調(diào)控神經(jīng)干細胞的黏附、增殖及分化，誘導(dǎo)神經(jīng)干細胞圖案化、陣列化生長是組織工程在脊髓損傷修復(fù)中的關(guān)鍵之一。為研究移植入體內(nèi)的神經(jīng)干細胞生存狀況，對其監(jiān)測追蹤也很重要。因此，

2、本博士論文圍繞神經(jīng)干細胞的可控化與可視化，分別研究了支架材料的表面修飾和碳量子點熒光探針的合成及細胞成像。
　　首先，研究了在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底材料上實現(xiàn)細胞圖案化與陣列化生長的方法。其一，研究了左旋多巴(L-DOPA)與膠原蛋白對PDMS的表面修飾對神經(jīng)干細胞的影響。通過檢測水接觸角、表面元素組成、表面形貌等驗證了修飾的成功。通過L-DOPA與膠原蛋白的共同作用，得到了利于神經(jīng)干細胞黏附、生長及分化的 PDMS組織工

3、程材料。其二，從抵抗細胞黏附的角度，用微接觸印刷法實現(xiàn)了細胞的圖案化、陣列化生長。先用L-DOPA提高PDMS表面的親水性，使其利于細胞黏附，再用微接觸印刷法將高濃度膠原蛋白轉(zhuǎn)移到 PDMS表面，細胞選擇性黏附于沒有膠原蛋白的位置。通過L-DOPA與高濃度膠原蛋白的共同作用，從抵抗細胞黏附的角度控制細胞，實現(xiàn)了神經(jīng)干細胞在 PDMS表面的圖案化、列隊化生長。其三，運用計算機控制的微操作系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)學建模，理論模擬實現(xiàn)對細胞圖案化、陣列化

4、生長更精確的控制。先建立了微操作機械手臂涂覆過程中玻璃微針壓入 PDMS基底的深度與涂覆溶液寬度的數(shù)學模型，再按模型操作機械手臂將血清涂覆于L-DOPA修飾的PDMS表面。神經(jīng)干細胞在涂覆有血清的基底形成了明顯的細胞列隊，用新的統(tǒng)計學方法分析細胞的生長角度，得到了細胞的分布規(guī)律。最后，采用建模和仿真的方法，成功模擬了細胞列隊生長的過程。
　　其次，使用L-DOPA結(jié)構(gòu)類似物綠原酸修飾PDMS表面，使其具有抑菌及促進哺乳動物細胞黏附

5、的雙重功能，并闡明其抑菌機制。其一，利用綠原酸修飾PDMS基底，使其具備抑制細菌生長和促進哺乳動物細胞生長的雙重功能。通過分子動力學模擬，揭示了修飾過程中能量變化及分子結(jié)合狀態(tài)。綠原酸與PDMS是通過范德華力與靜電吸附結(jié)合的，綠原酸疏水的肉桂酸基團與 PDMS表面緊密結(jié)合，親水的奎寧酸基團暴露于水中，從而使綠原酸修飾后的 PDMS表面具有更高的親水性。另外，原子力顯微鏡(AFM)掃描發(fā)現(xiàn)，修飾過的PDMS表面有更高的粗糙度。親水性和粗糙

6、度的提高，促進了哺乳動物細胞的黏附及增殖。綠原酸本身具有抑菌的性質(zhì)，因此，綠原酸修飾后，PDMS表面具有了抑制細菌生長和促進哺乳動物細胞生長的雙重功能。其二，研究了經(jīng)綠原酸修飾的 PDMS表面的抑菌機制。使用AFM掃描了大腸桿菌的表面形貌，測量了其楊氏模量及膨脹壓力。研究發(fā)現(xiàn)：生長于經(jīng)綠原酸修飾的 PDMS基底上的大腸桿菌表面變得光滑、楊氏模量減小、膨脹壓力變小。進一步將大腸桿菌洗脫后的研究發(fā)現(xiàn)，其叢集運動能力及生物膜穩(wěn)定性均顯著降低，

7、表明綠原酸對大腸桿菌的影響具有持續(xù)性，預(yù)示著綠原酸處理后的細菌對抗生素抵抗力的下降。
　　最后，為最終實現(xiàn)神經(jīng)干細胞的追蹤觀測，對粒徑小、量子產(chǎn)率高、生物相容性好的碳量子點熒光探針開展了一系列研究。其一，以L-DOPA為前體，采用煅燒法合成了氮摻雜熒光碳量子點。這種新方法簡便、快捷、不污染環(huán)境，產(chǎn)物N-Cdots熒光量子產(chǎn)率高，還具有多色成像、上轉(zhuǎn)換性質(zhì)及良好的生物相容性。其二，以水熱回流法合成水溶性碳量子點。所得碳量子點還具有量

8、子產(chǎn)率高、熒光穩(wěn)定及生物相容性好的優(yōu)點。除應(yīng)用于細胞熒光成像外，因其表面含有豐富的羥基等功能基團，與其他基團偶聯(lián)，可進一步功能化后可應(yīng)用于其他領(lǐng)域。
　　本論文圍繞神經(jīng)干細胞的可控化與可視化，建立了基于 L-DOPA的 PDMS支架材料表面修飾方法，實現(xiàn)了神經(jīng)干細胞的圖案化及陣列化生長，制備了抑菌表面，并且闡明了相關(guān)的機制，為支架材料的體內(nèi)移植打下良好的基礎(chǔ)。合成了粒徑小、量子產(chǎn)率高、生物相容性好的碳量子點熒光探針，為追蹤監(jiān)測移植