骨細胞與生物材料相互作用的生物芯片和原位物理化學研究.pdf

1、現(xiàn)代微系統(tǒng)技術(shù)及各種原位物理化學方法,為生物表面/界面的研究提供了前所未有的機遇和全新的研究層次。本工作致力于應用發(fā)展的微流控和微電極陣列(MEA)生物芯片、原子力顯微鏡(AFM)、電化學阻抗譜(EIS)和衰減全反射傅立葉紅外光譜(ATR-FTIR)等先進技術(shù),從不同的側(cè)面和層次研究骨細胞與生物材料相互作用過程及機制。
　　主要研究內(nèi)容有:
　　(a)建立昆明小鼠的原代顱骨成骨細胞和長骨骨髓基質(zhì)干細胞(rMSCs)的培養(yǎng),并

2、應用于新型復合生物材料的研究;
　　(b)考察微流控生物芯片中流體狀態(tài)(靜止和流動)對人類骨髓基質(zhì)干細胞(hMSCs)成骨分化的影響;
　　(c)應用微加工技術(shù)制備微圖案化的表面薄膜,應用AFM原位表征微圖案化表面的活成骨細胞三維形態(tài),控制不同表面細胞的生長、黏附和形態(tài);
　　(d)設(shè)計并制作鈦微電極陣列芯片及其細胞培養(yǎng)的原位EIS監(jiān)控電解池,并進一步高通量地研究復合生物材料表面與細胞的相互作用;
　　(e)提出

3、一種MG63活細胞的實時ATR-FTIR監(jiān)控的新方法,并用來研究細胞與TiO2及羥基磷灰石(HA)材料表面的相互作用。
　　主要研究結(jié)果如下:
　　1.細胞培養(yǎng)實驗結(jié)果顯示:羥基磷灰石/碳納米管(HA/MWCNTs)復合材料具有良好的生物相容性;電化學制備的磷酸八鈣/蛋白質(zhì)(OCP/protein)復合膜層可顯著增強成骨細胞的黏附與生長。
　　2.在兩種微流體狀態(tài)中,細胞可存活數(shù)周,但顯示不同的增殖和分化行為。在液壓控

4、制的流動培養(yǎng)室中,細胞快速生長,但液壓產(chǎn)生的液體流動不利于鈣節(jié)結(jié)的形成。在初始細胞密度(2×104～4×104cells/cm2)下,液槽控制的靜態(tài)培養(yǎng)室中細胞形態(tài)和茜素紅染色圖顯示了最佳的成骨分化效果。
　　3.厚度為100～200nm的微圖案表面可對活細胞局部三維形態(tài)進行選擇性地控制:當細胞厚度和微圖案高度比值小于3.2時,細胞表面能根據(jù)基底顯示相應的微圖案形態(tài);當二者比值在3.9～7.8之間時,細胞表面不會顯示基底的微圖案形

5、貌;有效控制金屬薄膜厚度為20～30nm,可產(chǎn)生具有良好透光性和導電性的醫(yī)用金屬表面,便于進一步開展實時的電化學和光學顯微聯(lián)合監(jiān)控工作;單獨的Ag薄膜對細胞具有毒性并且無法在其表面進行HA的電化學沉積;應用電化學沉積和光刻技術(shù),可制作微圖案化的Cr-Ag-HA薄層,rMSCs可在Cr-Ag和Cr-Ag-HA薄膜表面生長;應用微接觸印刷術(shù)(μCP)在鈦膜層表面制備了高分子圖案鈦-聚賴氨酸-聚乙二醇(Ti-PLL-PEG),可控制rMSCs

6、的黏附和生長。
　　4.采用多通道電流控制的選擇性電化學沉積方法,可將Ag、HA和Ag-HA涂層集成于同一鈦MEA芯片上;對比鈦微電極陣列表面的不同涂層與活細胞相互作用的EIS,并應用等效電路Rmed(Rox Qox)(Rpro Qpro)(Rcell Qcell)進行擬合;涂層和細胞增殖對Ti和溶液的界面的電化學行為具有一定的影響;Rcell元件數(shù)值與涂層的生物相容性和細胞增殖具有一定的關(guān)聯(lián);根據(jù)Rcell元件數(shù)值判斷生物相容性

7、的順序如下:Ti-Ag-HA＞Ti-HA＞Ti-Ag＞Ti。
　　5.由于水和培養(yǎng)基的強紅外吸收譜峰會干擾活細胞全譜的獲得,本論文通過原位光譜背景扣除法,獲得活細胞的紅外吸收光譜變化信息,在1370～2000和3500～3940cm-1出現(xiàn)一系列重現(xiàn)性良好的向下紅外譜峰;相比于Ge和Ge-TiO2,Ge-HA與細胞有強的相互作用,產(chǎn)生一個歸屬于P-O不對稱伸縮振動的位于1016～1079cm-1的紅外吸收峰,在分子水平說明HA具有