聚氨酯形狀記憶過程中相分離微納結(jié)構與回復應變對細胞形態(tài)的調(diào)控研究.pdf

1、形狀記憶聚氨酯（SMPU）具有良好的生物相容性、力學性能和形狀記憶性能，在生物醫(yī)學領域備受關注。SMPU軟段與硬段因熱力學不相容而形成的相分離微納結(jié)構是其具有形狀記憶效應（SME）的結(jié)構基礎，而賦形、固定和形狀回復則是其體現(xiàn)SME的必需過程。賦形和回復這兩個動態(tài)過程可改變相分離微納結(jié)構；回復過程還可產(chǎn)生回復應變。為了更深入地理解SME對SMPU生物相容性的影響機制，指導SMPU的結(jié)構設計和加工，需深入認識SMPU形狀記憶過程中相分離微納

2、結(jié)構的變化及其與回復應變對細胞行為的調(diào)控。但迄今為止，尚缺乏相關研究。本文采用廣角 X射線衍射（WAXD）、小角 X射線散射（SAXS）、傅里葉全反射紅外光譜（ATR-FTIR）、差示掃描量熱（DSC）、原子力顯微鏡（AFM）、掃描電鏡（SEM）等技術考察了拉伸賦形與形狀回復過程對SMPU薄膜相分離微納結(jié)構的影響及影響機制，并以成骨細胞為模型細胞考察了微納結(jié)構與回復應變對細胞形態(tài)的調(diào)控作用。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）拉伸

3、賦形對SMPU薄膜微納結(jié)構的影響
　　本文采用軟段為聚乳酸-聚乙二醇三嵌段共聚物（PDLLA-PEG-PDLLA），硬段為六亞甲基二異氰酸酯（HDI）和哌嗪（PPZ）的嵌段SMPU作為模型材料，以聚(DL-乳酸)（PDLLA）為對照材料，采用溶液澆注法制備SMPU和PDLLA薄膜，考察拉伸賦形（拉伸率為0％，50%，100%，200%）對SMPU相分離微納結(jié)構的影響，為深入理解賦形對細胞形態(tài)的調(diào)控及調(diào)控機理奠定基礎。
　?、?/p>

4、未賦形SMPU薄膜具有明顯的相分離結(jié)構，硬段逐級聚集形成硬段微區(qū)、獨立“島”結(jié)構和納米纖維，在軟段相中形成無序的硬段相化學“圖案”；而對照材料PDLLA薄膜表面均一、平滑，僅出現(xiàn)因微弱結(jié)晶而導致的相分離現(xiàn)象。
　?、诶熨x形使光滑的PDLLA表面出現(xiàn)了垂直于拉伸方向排列的納米突起。而在 SMPU表面，拉伸賦形導致硬段微區(qū)與“島”結(jié)構的長軸垂直于拉伸方向并且沿拉伸方向聚集，最終導致納米纖維平行于拉伸方向，表明拉伸賦形可以改變SMPU

5、的表面微納結(jié)構并提高納米纖維的有序性，提示對SMPU拉伸賦形可望成為一種制備有序化學“圖案”的新方法。
　　（2）拉伸賦形所致相分離微納結(jié)構對細胞粘附與蛋白吸附的影響
　　分別以成骨細胞和纖連蛋白（Fn）為模型細胞和模型蛋白，采用免疫熒光染色技術考察拉伸誘導的微納結(jié)構對細胞形態(tài)與蛋白吸附的影響。結(jié)果顯示：細胞長軸與Fn組裝的蛋白纖維在SMPU薄膜表面均平行于拉伸方向，而在PDLLA薄膜表面則均垂直于拉伸方向，表明拉伸誘導的表

6、面微納結(jié)構可以調(diào)控細胞取向與蛋白組裝，提示賦形處理可影響SMPU材料-細胞相互作用。同時，該結(jié)果進一步證實，拉伸賦形可成為一種制備有序化學“圖案”以調(diào)控細胞行為的新方法。
　?。?）回復介質(zhì)對薄膜形狀回復與微納結(jié)構的調(diào)控
　　回復過程是SMPU體現(xiàn)形狀變化的過程，在醫(yī)學應用中通常是在體液環(huán)境中發(fā)生。考察體液回復環(huán)境對SMPU相分離微納結(jié)構和形狀回復的影響及其機制，可為全面、深入地理解SMPU生物相容性提供理論基礎，也可指導S

7、MPU醫(yī)學應用方案的制定。因此，本研究將拉伸賦形SMPU薄膜兩端固定以保持應變恒定，將其置于32℃空氣或細胞培養(yǎng)液DMEM中靜置24h；隨后，去除薄膜兩端固定裝置并分別升高空氣或DMEM的溫度使薄膜自由回復。通過考察介質(zhì)環(huán)境對薄膜形狀回復和表面微納結(jié)構的影響，探討體液環(huán)境影響 SMPU形狀記憶過程的相關機理?！笆芟蕖碧幚碇荚谑贡∧そ?jīng)歷薄膜-細胞復合物在形狀回復之前的處理過程（詳見（4）），以便更準確地理解材料回復對細胞行為的調(diào)控機制。<

8、br>　?、俣繖z測了回復力和回復率的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)薄膜在前20 min回復較快，在2h內(nèi)方可完成回復?！笆芟蕖碧幚韺熨x形薄膜的表面微納結(jié)構無顯著影響，但會因為應力松弛而降低薄膜形狀回復力和回復率。薄膜在DMEM中的形狀回復力和回復率明顯低于空氣中，DSC分析表明其機制與水分子增塑SMPU鏈段而導致應力松弛增強有關。上述結(jié)果表明，介質(zhì)環(huán)境對形狀回復性能有明顯影響。
　?、谠诳諝庵谢貜蜁r，薄膜表面的硬段組裝未完全回復到無序狀態(tài)，

9、多數(shù)納米纖維與拉伸方向呈>40°夾角排列，這與應力松弛導致的薄膜形狀未完全回復有關；而在DMEM中回復時，薄膜表面硬段聚集增強，出現(xiàn)明顯的纖維狀和點狀硬段微區(qū)，且納米纖維與拉伸方向間的夾角也多高于40°，這可能與水分子增塑引起的不完全回復以及水分子與軟段形成的氫鍵作用有關。上述結(jié)果表明，回復介質(zhì)明顯影響SMPU薄膜的表面微納結(jié)構，這為后續(xù)深入理解回復過程對細胞行為的影響奠定了基礎。
　?。?）薄膜形狀回復應變與微納結(jié)構對細胞形態(tài)的

10、調(diào)控
　　回復應變可能對細胞施加持續(xù)力學刺激。因此，考察回復應變對細胞行為的調(diào)控作用，可為SMPU生物相容性的評價提供一條基于生物力學的新思路。為考察回復應變和微納結(jié)構對細胞形態(tài)的調(diào)控作用，本研究將成骨細胞接種于拉伸賦形SMPU薄膜表面，于32℃下培養(yǎng)24h后去除薄膜兩端固定裝置，并將薄膜-細胞復合物轉(zhuǎn)入37℃細胞培養(yǎng)箱中讓薄膜自由回復。利用活細胞工作站追蹤細胞對薄膜形狀回復的響應，并用免疫熒光染色技術觀察薄膜回復后成骨細胞形態(tài)隨

11、培養(yǎng)時間的變化，利用CCK-8技術初步考察薄膜形狀回復對成骨細胞后期（1-7d）增殖行為的影響。
　　①SMPU薄膜回復的總應變隨拉伸率增加而增大，拉伸率為50%、100%和200%時其回復總應變（%）分別為17.55±3.34、27.87±2.93和34.80±2.60。
　?、诨罴毎ぷ髡竞兔庖邿晒馊旧Y(jié)果顯示：在薄膜回復初期（≤4h），SMPU回復應變使成骨細胞趨于垂直于拉伸方向排列，且細胞取向變化與拉伸率有關，表明S

12、MPU回復應變作為一種力刺激可以調(diào)控成骨細胞形態(tài)。
　?、跾MPU薄膜形狀回復24h后，細胞取向與薄膜表面納米纖維取向一致，表明隨著細胞培養(yǎng)時間的延長，回復應變對細胞取向的調(diào)控作用會逐漸被基底微納結(jié)構所取代。
　?、蹸CK-8檢測結(jié)果顯示，薄膜形狀回復后1-7天內(nèi)，回復薄膜表面的細胞數(shù)明顯高于未回復薄膜表面。該結(jié)果表明，回復應變可以作為一種力學刺激調(diào)控細胞形態(tài)并促進細胞增殖，SMPU可望用作一種新型的動態(tài)細胞培養(yǎng)基底。