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《复旦大学》 2009年
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材料表面微米—纳米杂合图案的制备技术研究

刘鹏  
【摘要】:随着组织工程和再生医学的不断发展,细胞-材料相互作用问题越来越受到人们的关注。表面图案化技术为模仿细胞外基质研究细胞-材料相互作用提供了一种有效手段。图案化技术可以使原本复杂的问题得以简化,因此得到了广泛的应用。微图案化技术已经用于精确控制细胞的位置和形态(尤其是单细胞)以及多种细胞的共同培养,可以说微图案化技术已经搭建了一个在细胞水平上研究细胞-材料相互作用的平台。但是仅微图案化技术还不足以模仿细胞外基质。例如整合素(integrin)作为细胞膜上的受体,它能够与细胞外基质上的配体如arginine-glycine-aspatate(RGD)结合,integrin能够调控细胞与细胞外基质之间的作用,从而对细胞各种行为产生影响,如焦点黏附。integrin本身的尺寸在10~12 nm。纳米图案化技术则可以从更深的分子或超分子水平研究细胞外基质配体(如RGD)对于细胞黏附的影响。纯粹的纳米图案对于细胞的位置和形态难以进行控制,将两种图案化技术结合在一起则可以从细胞水平和分子水平两个角度进行全面地、系统地研究。再者,现有的图案化技术主要针对硬质基底,对于在软的、湿的水凝胶材料表面制备微纳米图案则难以奏效。同时,在图案化技术研究细胞行为的过程中,往往需要制备具有细胞黏附反差的图案,即一些区域细胞可黏附,另一些区域细胞无法黏附。这一过程的关键是高效地抗细胞黏附。通常采用自组装或接枝poly(ethylene glycol)(PEG)分子的方式来达到抗细胞黏附的目的,但是这些方法难以达到长效性的要求。因此,开拓新的微米-纳米杂合图案制备手段,发展水凝胶材料表面图案化修饰方法,满足高效抗细胞黏附的要求,这些工作对于细胞-材料相互作用问题的研究都具有极其重要的意义。 本论文将传统的微图案加工方法与纳米图案制备技术相结合实现了Au微米-纳米杂合图案的制备,进而通过转移技术将杂合图案从硬质基底转移至PEG水凝胶表面,实现了具有高效细胞黏附反差的软基底表面Au微米-纳米杂合图案的构建。细胞实验已经证实了所有技术路线的生物相容性以及用于细胞-材料相互作用研究的可行性。实验结果初步揭示了细胞生物学的一些规律,有望在细胞-材料相互作用研究中得到广泛应用。 本博士论文的主要创新性工作为: 1发展了三种在硬质基底表面制备Au微米-纳米杂合图案的方法。论文将光刻、嵌段共聚物自组装、湿法腐蚀以及等离子体刻蚀等技术进行有效组合,成功实现了微米图案和纳米图案的有效整合。与以往单纯的微米或纳米图案化技术相比,文中的三种方法能够实现对Au纳米阵列在微米尺度内的可控操作。初步的细胞实验证实了Au微米-纳米杂合图案制备方法的生物相容性以及在细胞-材料相互作用研究中的可行性,为从细胞水平和分子水平研究细胞-材料相互作用奠定了基础。 2设计和制备了三种新颖的Au-Pt双金属的微米-纳米杂合图案,Au-Pt核壳粒子纳米图案(Pattern-1)、Au-Pt双金属纳米阵列与Au纳米阵列的微米-纳米杂合图案(Pattern-2)、Pt微阵列与Au纳米阵列交错的微米-纳米杂合图案(Pattern-3)。上述三种图案的制备方法环环相扣,以Pattern-2的制备为中心,Pattern-1是基础,Pattern-3则是延伸与扩展。文中提出的图案化制备方法不仅限于Au-Pt双金属的微米-纳米杂合图案的制备,而且将会在微、纳图案加工方面得到更为广泛的应用。制备的各种双金属或多金属的微米-纳米杂合图案,除了在细胞-材料相互作用研究方面能够得以应用,也将在催化、光谱学、生物传感等领域体现出越来越大的潜在应用价值。 3在PEG水凝胶表面制备了Au微米-纳米杂合图案。该技术以硬质基底表面Au微米-纳米杂合图案为基础,通过转移技术创造性地解决了软材料表面微米、纳米多尺度图案制备这一难题。在PEG水凝胶表面制备的Au微米-纳米杂合图案上进行细胞培养,细胞实验证实了整个技术路线的生物相容性。由于PEG水凝胶基底的使用,该技术确保Au微米-纳米杂合图案具有高效的细胞黏附反差,已经成功用于细胞定位和取向的控制。PEG水凝胶表面的Au微米-纳米杂合图案将会成为细胞-材料相互作用领域研究的有力工具,通过对微图案、纳米图案以及水凝胶基底各种参数的调控可以得到丰硕的研究成果。 4通过嵌段共聚物自组装、光刻技术、湿法腐蚀以及linker辅助转移技术在PEG水凝胶表面制备Au微米-纳米杂合图案,进行RGD修饰后得到RGD微米-纳米杂合图案。初步考察了RGD微米-纳米杂合图案的微图形对细胞黏附行为的影响。实验结果表明:随着微图形尺寸增大,细胞更易黏附。利用RGD微图案和RGD微米-纳米杂合图案,研究了投影面积对于细胞黏附情况的影响。结果表明:在投影面积相同时,细胞在RGD微图案上的黏附情况明显强于RGD微米-纳米杂合图案。实验结果初步揭示了图案上可供细胞黏附的RGD位点数量对于细胞在图案上的黏附行为有重要影响。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB383.1

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