微圖案化透明超親-超疏水模板及細(xì)胞與生物材料相互作用的原位-高能量研究.pdf

1、浸潤(rùn)性是固體表面最基本、最重要的性質(zhì)之一，液體在固體表面的潤(rùn)濕行為受到固體表面化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格調(diào)控。超親/超疏水表面由于浸潤(rùn)性極端差異引起人們的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前科技研究的一個(gè)焦點(diǎn)。生物表面反應(yīng)是生物材料研究的核心，生物分子、細(xì)胞、組織與基體材料之間的相互作用必然首先發(fā)生在表面，進(jìn)而影響生物體與基體材料間所有的后續(xù)反應(yīng)。構(gòu)筑一種適合的超親/超疏水表面，對(duì)于調(diào)控生物材料的生物相容性和生物活性顯得十分重要。傳統(tǒng)的生物學(xué)研究方法尚存在

2、耗時(shí)、破壞性和非原位等缺點(diǎn)。深入研究細(xì)胞和生物材料間的相互作用機(jī)制，迫切需要發(fā)展原位、實(shí)時(shí)、無(wú)干擾、高通量的研究技術(shù)。
　　本論文基于仿生學(xué)觀點(diǎn)，側(cè)重發(fā)展物理化學(xué)方法，在導(dǎo)電玻璃基底表面制備透明的TiO2納米結(jié)構(gòu)薄膜，利用單層分子自組裝技術(shù)構(gòu)筑超疏水表面，通過(guò)系統(tǒng)研究關(guān)鍵性制備參數(shù)和影響因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)TiO2納米結(jié)構(gòu)膜層透光率和浸潤(rùn)性的調(diào)控。采用光催化轉(zhuǎn)印技術(shù)研制成功不同圖形、尺寸的透明超親/超疏水微圖案模板，并運(yùn)用電化學(xué)沉積技術(shù)構(gòu)

3、筑微圖案化的活性生物材料、醫(yī)用抗菌材料及復(fù)合生物醫(yī)用材料，實(shí)現(xiàn)了高通量地考察、評(píng)價(jià)生物材料的生物相容性和抗菌性能。此外，基于所建立的透明超親/超疏水模板實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合原位細(xì)胞觀察技術(shù)及掃描微探針顯微技術(shù)(AFM)，實(shí)現(xiàn)原位、實(shí)時(shí)、無(wú)干擾、高通量研究細(xì)胞與生物材料表面相互作用過(guò)程，考察材料表面浸潤(rùn)性和微環(huán)境對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)控，探討細(xì)胞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與細(xì)胞力學(xué)特性（彈性）間的內(nèi)在關(guān)系。主要研究成果及進(jìn)展如下:
　　1.利用射頻濺射-電化學(xué)陽(yáng)

4、極氧化法在ITO基底表面構(gòu)筑一層透明的TiO2納米管薄膜，考察電解液組成、陽(yáng)極氧化電位、反應(yīng)溫度對(duì)透明TiO2納米管膜層的形成、表面形貌以及孔徑結(jié)構(gòu)等影響，通過(guò)表面氟硅烷分子層的修飾和TiO2納米結(jié)構(gòu)膜層的光催化作用，實(shí)現(xiàn)了在透明基底表面超親水(接觸角＜5°)-超疏水（接觸角＞150°）的可逆轉(zhuǎn)化。
　　2.利用化學(xué)浴沉積法在FTO基底表面構(gòu)筑透明的TiO2納米結(jié)構(gòu)薄膜，運(yùn)用單層分子自組裝技術(shù)構(gòu)筑獲得具有良好的光致可逆的超疏水表面

5、。詳細(xì)考察了化學(xué)浴沉積法制備超疏水透明TiO2納米顆粒膜層的影響因素及形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)沉積溫度主要控制膜層的沉積速度和鈦源的利用率，而沉積時(shí)間則對(duì)膜層形貌和最終的沉積量有顯著影響，熱處理有助于提高TiO2納米顆粒膜層的光催化性能以及與基底間的結(jié)合力。
　　3.利用TiO2光催化性能和光掩模的選區(qū)紫外光照射，成功制備了高透明度且具有顯著浸潤(rùn)性差異的超親/超疏水微圖案模板，其模板圖案與光掩模設(shè)計(jì)圖案精確對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了超親水和超疏水微單

6、元在透明表面的有序集成。
　　4.運(yùn)用電化學(xué)沉積或光還原技術(shù)構(gòu)筑微圖案化的活性生物材料磷酸八鈣(OCP)、醫(yī)用抗菌材料銀以及復(fù)合生物醫(yī)用材料，所獲得的生物材料微圖案陣列均與光掩模圖形保持一致。細(xì)胞黏附實(shí)驗(yàn)表明，MG63基本完全黏附于OCP微圖案表面，而hFOB1.19細(xì)胞則部分黏附于超疏水區(qū)域，表現(xiàn)出一定的對(duì)疏水表面的親和性。抗菌實(shí)驗(yàn)表明，銀微圖案的抗菌性能不僅與銀的含量有關(guān)，還與銀的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，光還原法制備的銀微圖案

7、抗菌效率極高，有效抗菌面積可達(dá)到自身面積的15倍之多。
　　5.采用透明超親/超疏水微圖案模板，實(shí)現(xiàn)在不同模板上活細(xì)胞微圖案的構(gòu)筑，原位熒光觀察顯示，微圖案中的細(xì)胞狀態(tài)良好。利用原位觀察技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)不同尺寸透明超親/超疏水模板上Hela細(xì)胞和MG63細(xì)胞行為，發(fā)現(xiàn)模板對(duì)于Hela細(xì)胞的相互聯(lián)系和運(yùn)動(dòng)行為，有一定的誘導(dǎo)作用。連續(xù)7天觀察模板上MG63細(xì)胞行為，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖行為主要受超親水微單元尺寸的調(diào)控，而細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)遷移行