【摘要】：生物材料的表面性質(zhì)是材料與細(xì)胞界面之間相互作用的重要影響因素,而其對細(xì)胞行為的調(diào)控主要通過材料與細(xì)胞界面處的生物分子狀態(tài)調(diào)節(jié)來完成。因此,通過改變材料表面性質(zhì)來實現(xiàn)表面生物分子的調(diào)控,對提高材料的生物學(xué)性能有至關(guān)重要的影響。近年來,智能響應(yīng)材料在生物領(lǐng)域運用越來越廣泛,通過構(gòu)建外場響應(yīng)型材料,可對響應(yīng)性膜表面或其內(nèi)部的生物分子實現(xiàn)時空上精確的吸脫附以及構(gòu)象調(diào)控。本文采用光場和電場兩種強度及方向可控,施加方式簡單的外場作為刺激手段,以光響應(yīng)性的納米二氧化鈦為研究對象,通過稀土摻雜的方式提高其生物相容性和光學(xué)性能,并利用聚多巴胺(PDA)的粘結(jié)性實現(xiàn)對細(xì)胞培養(yǎng)材料聚苯乙烯的改性來賦予其光響應(yīng)性能,實現(xiàn)表面生物分子及細(xì)胞的高效脫附。以PDA為研究對象,探究了電場下PDA表面蛋白和多糖的吸脫附以及不同氧化還原態(tài)的PDA對表面蛋白的構(gòu)象調(diào)控和后續(xù)細(xì)胞響應(yīng)。以聚吡咯(Ppy)為研究對象,在不同體系中分別改善其因承載生物分子帶來的生物相容性下降問題,構(gòu)建促成骨分化和抗炎雙功能性的藥物釋放體系,并通過雙分子的承載釋放進(jìn)一步研究了以Ppy為主體的生物分子選擇性釋放機理與模型。主要研究結(jié)果如下:1.基于Ti02的光響應(yīng)薄膜構(gòu)建及蛋白分子調(diào)控研究通過溶膠凝膠法和分相自組裝法,在溶液配制過程中加入一定量的Eu(TMHD)3來實現(xiàn)Eu摻雜二氧化鈦納米點薄膜的制備。Eu摻雜對納米點形貌和分布影響不大,提高了薄膜的細(xì)胞粘附性能。其賦予了 Ti02獨特的光致發(fā)光性能,紫外光照條件下,614 nm波長處出現(xiàn)較強的發(fā)光,且隨著Eu摻雜濃度的增加表現(xiàn)出一定的劑量依賴性,同時增強了二氧化鈦納米點薄膜的光吸收范圍和光生載流子壽命,加強了光場下材料對表面生物分子的調(diào)控力度。通過特征峰處的發(fā)光強度可原位表征樣品表面蛋白吸附量。通過紫外光照實現(xiàn)蛋白脫附效應(yīng),隨著光照時間的增長,蛋白的脫附量增加。摻Eu二氧化鈦納米點薄膜表現(xiàn)出良好的生物相容性,紫外光照條件下可實現(xiàn)細(xì)胞薄層的快速脫附,脫附的細(xì)胞仍維持較好的細(xì)胞活性。另外PS基板在PDA初步改性后,利用旋涂法在半濕潤的PS-PDA表面成功制備出納米顆粒致密堆積的Ti02/PDA復(fù)合膜層。膜頂層納米二氧化鈦較多,底層PDA較多,具有較高的結(jié)合力和紫外光透射率,良好的光致親水效應(yīng)。PS-TiO2/PDA具有良好的生物相容性并且能夠?qū)崿F(xiàn)表面細(xì)胞的快速脫附,為細(xì)胞收割提供了更便利直接的選擇。2.基于聚多巴胺膜的電響應(yīng)薄膜及生物分子調(diào)控研究PDA本身具有良好的電響應(yīng)性,通過浸泡法在Ti基板表面制備出形貌致密均勻PDA膜。表面BSA和Starch兩種生物分子的吸脫附實驗證明,PDA膜不僅增強了基板的初始蛋白和多糖吸附性能,外電場作用下還能夠進(jìn)一步增強表面的蛋白吸附作用,減弱多糖的脫附效應(yīng)。PDA在電場作用下存在三種狀態(tài):原狀態(tài),氧化態(tài),還原態(tài),三種狀態(tài)變化可通過表面酚羥基和醌基的轉(zhuǎn)換實現(xiàn),并具有一定的可逆性,其中氧化態(tài)和還原態(tài)表現(xiàn)出更好的蛋白吸附性能。以BSA和BMP-2蛋白作為預(yù)吸附蛋白層,三種狀態(tài)PDA膜對蛋白構(gòu)象調(diào)控之后,對后續(xù)細(xì)胞增殖和分化起到明顯的促進(jìn)作用。3.基于聚吡咯的電場響應(yīng)復(fù)合膜及藥物釋放研究通過熱堿處理和陽極氧化法制備出較理想的Ppy/Dex膜包裹納米纖維的結(jié)構(gòu),成功實現(xiàn)了藥物的承載,并且與ECM復(fù)合之后表面保留了大面積的細(xì)胞外基質(zhì),暴露出較多的納米尖端結(jié)構(gòu),獲得了形貌均勻的Ppy/Dex/ECM復(fù)合膜,膜的表面形貌與ECM/Ppy的比例可通過調(diào)整電化學(xué)沉積參數(shù)來完成。ECM復(fù)合極大的改善了因承載Dex帶來的Ppy膜生物相容性下降的問題,并且ECM的存在和Dex藥物的釋放協(xié)同促進(jìn)了細(xì)胞的成骨分化性能,與此同時,極大的提高了復(fù)合膜的抗炎功能,在植入體表面改性領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力。4.基于聚吡咯的雙載藥電響應(yīng)薄膜及其選擇性釋放研究通過以對甲苯磺酸鈉為摻雜劑的Ppy膜作為底層,換液沉積的方式成功制備出BSA和Hep共承載的BHP雙層膜以改善頂層Ppy膜的生物相容性,膜內(nèi)生物分子的含量可通過沉積電流和沉積時間的變化來進(jìn)行調(diào)控。BHP雙層膜的生物相容性良好,正電場條件下,BHP膜表面pH變化導(dǎo)致BSA的帶電性由負(fù)轉(zhuǎn)正,靜電排斥作用使得BSA蛋白得到釋放,并隨著電場強度的增大而釋放量增加,Hep的釋放受到抑制;負(fù)電場下,Hep由于其分子量小,負(fù)電性較強,其具有優(yōu)先釋放的效應(yīng),BSA的釋放受到抑制,最終實現(xiàn)了不同電性外場下雙生物分子的選擇性釋放。細(xì)胞實驗表明電控選擇性釋放BSA對細(xì)胞增殖具有促進(jìn)作用,Hep的釋放對細(xì)胞鋪展有促進(jìn)作用,并且Hep釋放時間點對成骨分化促進(jìn)作用有影響,一天和三天均釋放Hep促分化效果最佳。本研究設(shè)計了不同種類的外場(光/電)響應(yīng)性薄膜,利用外場實現(xiàn)對響應(yīng)性材料表面生物分子的吸脫附和構(gòu)象的有效調(diào)控,以實現(xiàn)細(xì)胞的高效脫附、細(xì)胞粘附、增殖、分化性能的提升,炎癥的減緩,進(jìn)一步探索了雙生物分子在電場條件下的選擇性釋放機理。這些對光/電場有效調(diào)控材料表面生物分子與后續(xù)的細(xì)胞行為具有一定的意義。
【圖文】：

４６］。Ｈｏｒｂｅｔｔ等還發(fā)現(xiàn)接觸到血清１０秒和９０分鐘的表面成纖維細(xì)胞的鋪展逡逑數(shù)量相當(dāng)［４７］。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)維持需要化學(xué)鍵的存在，依賴于聚合鏈原子間的逡逑作用力，這種作用力（離子鍵、親疏水作用、氫鍵和范德華力等）雖然較之共價逡逑鍵要弱很多，卻對維持蛋白穩(wěn)定性起到了重要的作用［４８＇４９］。離子鍵是帶有不同電逡逑荷的氨基酸之間相互吸引產(chǎn)生，可以將長肽鏈上兩個帶異種電荷的部分連接，從逡逑而導(dǎo)致蛋白構(gòu)象的變化，此種作用力容易被溶液鹽濃度以及ｐＨ影響％，５１］。氫鍵逡逑為生物體中最常見的作用力，由與不同肽鍵相鄰的Ｎ原子Ｏ／Ｈ兩種原子形成，逡逑以此產(chǎn)生特殊的多肽構(gòu)象。逡逑生物材料表面對生物分子的吸附動力來自于整個體系自由能的減少，，主要來逡逑源于材料表面水分子的解吸（熵增加）和材料表面與生物分子間的引力（焓減少）。逡逑可以預(yù)料到，生物分子吸附到材料表面的過程中，生物材料與生物分子與生物體逡逑之間的界面自由能都趨向于最小，這過程中會導(dǎo)致生物分子的構(gòu)象發(fā)生多種變化，逡逑這些構(gòu)象變化會繼而引發(fā)生物體對植入體的各種響應(yīng)［５２，５３］。總的來說植入體表面逡逑生物分子的狀態(tài)對植入體的生物學(xué)性能存在至關(guān)重要的影響，通過表面改性來調(diào)逡逑控生物分子的吸脫附與構(gòu)象變化是增強植入體生物學(xué)性能的關(guān)鍵。逡逑邐邐逡逑

Ｗｅａｋ邐Ｊｓｒ（ｍＶｔｆ）邋ａ（ｎｍ）逡逑Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邐、逡逑圖１．５不同介孔形貌表面蛋白作用力的差異性［８Ｑ］逡逑Ｆｉｇ邋１．５邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｐｒｏｔｅｉｎｓ邋ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｏｎ邋ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ邋Ｔｉ0２邋ｗｉｔｈ邋ｖａｒｙｉｎｇ邋ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ逡逑ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｅｓ逡逑６逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TQ460.1

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