基底表面納米結構的細胞學效應與離子液體的細胞相容性研究.pdf

1、設計新型生物材料是組織工程研究的核心內(nèi)容。通過材料改性能有效地改變材料的物理形貌和化學組成，從而獲得全新的生物支架材料。本文研究發(fā)現(xiàn)了生物材料表面通過激光改性形成的周期性納米結構在細胞水平引發(fā)一系列納米生物學效應，并嘗試從細胞學的角度分析了這些實驗結果，這為設計智能化支架材料提供了有價值的理論指導。基于同樣的細胞實驗條件，本文又針對一類新興的、化學結構具有很強可調(diào)性的綠色材料-離子液體(ionicliquids，ILs)的細胞相容性進行

2、了系統(tǒng)評價。通過尋找ILs細胞相容性與其化學結構的關系，從而為開發(fā)基于ILs的新型生物材料提供前期的理論指導。 聚苯乙烯是一種廣泛用作體外細胞和組織培養(yǎng)的非降解性高分子生物材料，也是研究生物材料表面物理化學性質(zhì)對細胞行為影響的理想的基底材料。但由于其表面具有疏水性，不利于貼壁細胞生長，因此在使用前通常要經(jīng)過富氧等離子體處理來增加其親水性。本文采用波長為266nm的偏振激光掃描平整的聚苯乙烯薄膜和一種類聚苯乙烯離子液體聚合物(po

3、lymericionicliquid，PIL)薄膜--聚(溴化1-辛基-4-乙烯吡啶)((poly(1-octyl-4-vinylpyridiniumbromide)，PC8PyBr)。原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，AFM)、傅立葉變換紅外光譜儀(Fouriertransforminfraredspectrophotometer，F(xiàn)T-IR)和接觸角測量儀測量的結果表明經(jīng)激光改性的聚苯乙烯表面不僅引入了含羰基

4、的親水性基團，并且還形成了周期為250nm、深度為60nm的納米結構(laser-inducedperiodicsurfacestructures，LIPSS)，表面能從43.4mN/m增加到63.1mN/m(平行于LIPSS方向)；經(jīng)激光改性的PC8PyBr薄膜表面形成了周期為170nm、深度為50mn的LIPSS。小牛血清白蛋白(bovineserumalbumin，BSA)吸附實驗表明在經(jīng)激光改性的聚苯乙烯表面BSA的吸附量比較大

5、。以大鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞和人子宮頸鱗狀上皮癌細胞為細胞模型，系統(tǒng)地觀察了經(jīng)激光表面改性的聚苯乙烯對細胞各種行為的影響。細胞實驗結果表明經(jīng)激光表面改性的聚苯乙烯能顯著地影響細胞的各種行為-細胞粘附數(shù)目增多；細胞增殖速度加快；細胞運動減慢、并沿LIPSS運動；細胞伸出絲狀偽足進行鋪展、并在鋪展過程中逐步沿LIPSS取向；細胞體和細胞核都沿LIPSS取向；細胞分裂方向也平行于LIPSS。標記粘附斑激酶和γ-微管蛋白的細胞免疫學實驗結果進一步表明

6、：對于培養(yǎng)在經(jīng)激光改性的聚苯乙烯表面的細胞來說，粘附斑的面積較大；在細胞分裂中后期，兩個微管組織中心分別位于細胞的兩極，且它們之間的連線平行于LIPSS方向。因此，在激光表面改性聚苯乙烯過程中引入的親水性基團可能在促進細胞粘附和增殖中起主要作用，而LIPSS作為永久性的定向機械刺激誘導細胞伸出絲狀偽足并沿LIPSS取向、運動和分裂。其中LIPSS誘導細胞定向運動和定向分裂不僅有助于揭示生物材料表面各向異性的納米結構誘導細胞發(fā)生特異性響應

7、的作用機理，而且還有助于實現(xiàn)組織工程中控制細胞定向分布，從而保證了構建的人工器官具有特定的生理功能。 ILs是一類人工合成的、由有機陽離子和無機或有機陰離子構成的、在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)的鹽類。本文系統(tǒng)地合成了由四類陽離子、四類陰離子和五類不同烷基側(cè)鏈的陽離子組合而成的共38種ILs以及兩種類聚苯乙烯PILs。以人子宮頸鱗狀上皮癌細胞為細胞模型，研究了各種ILs和兩種類聚苯乙烯PILs的細胞相容性。以細胞毒性作為細胞相容性

8、的檢測指標，采用MTT法檢測了ILs的半數(shù)效應濃度(medianeffectiveconcentration，EC50)。并比較了ILs的細胞毒性與其結構的關系；采用濃度相加模型，比較了ILs對細胞的作用模式與其結構的關系；并首次觀察了1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(1-ethyl-3-methylimidiumtetraflubromide，[emim][BF4])誘導細胞凋亡過程中細胞的形態(tài)變化和生化變化。實驗結果表明：隨著烷基側(cè)

9、鏈(乙基、丁基和辛基)長度增長，ILs的細胞毒性增加；季磷類ILs的細胞毒性最強，其次是咪唑類和吡啶類ILs，膽堿衍生物類和三乙基銨類ILs的細胞毒性最??；陽離子烷基側(cè)鏈為乙基和丁基的ILs對細胞的作用模式相似，而陽離子烷基側(cè)鏈為芐基和辛基的ILs的作用模式相似；[emim][BF4]誘導細胞呈現(xiàn)出一系列凋亡特征，如細胞質(zhì)內(nèi)形成空泡、細胞表面生成芽狀突起、細胞核呈明顯的凋亡特征、線粒體膜去極化、細胞質(zhì)內(nèi)ROS含量和游離的鈣離子濃度增加。