基于光场、电场响应的薄膜构建及生物分子调控和释放研究

发布时间：2020-06-12 23:15

【摘要】：生物材料的表面性质是材料与细胞界面之间相互作用的重要影响因素,而其对细胞行为的调控主要通过材料与细胞界面处的生物分子状态调节来完成。因此,通过改变材料表面性质来实现表面生物分子的调控,对提高材料的生物学性能有至关重要的影响。近年来,智能响应材料在生物领域运用越来越广泛,通过构建外场响应型材料,可对响应性膜表面或其内部的生物分子实现时空上精确的吸脱附以及构象调控。本文采用光场和电场两种强度及方向可控,施加方式简单的外场作为刺激手段,以光响应性的纳米二氧化钛为研究对象,通过稀土掺杂的方式提高其生物相容性和光学性能,并利用聚多巴胺(PDA)的粘结性实现对细胞培养材料聚苯乙烯的改性来赋予其光响应性能,实现表面生物分子及细胞的高效脱附。以PDA为研究对象,探究了电场下PDA表面蛋白和多糖的吸脱附以及不同氧化还原态的PDA对表面蛋白的构象调控和后续细胞响应。以聚吡咯(Ppy)为研究对象,在不同体系中分别改善其因承载生物分子带来的生物相容性下降问题,构建促成骨分化和抗炎双功能性的药物释放体系,并通过双分子的承载释放进一步研究了以Ppy为主体的生物分子选择性释放机理与模型。主要研究结果如下:1.基于Ti02的光响应薄膜构建及蛋白分子调控研究通过溶胶凝胶法和分相自组装法,在溶液配制过程中加入一定量的Eu(TMHD)3来实现Eu掺杂二氧化钛纳米点薄膜的制备。Eu掺杂对纳米点形貌和分布影响不大,提高了薄膜的细胞粘附性能。其赋予了 Ti02独特的光致发光性能,紫外光照条件下,614 nm波长处出现较强的发光,且随着Eu掺杂浓度的增加表现出一定的剂量依赖性,同时增强了二氧化钛纳米点薄膜的光吸收范围和光生载流子寿命,加强了光场下材料对表面生物分子的调控力度。通过特征峰处的发光强度可原位表征样品表面蛋白吸附量。通过紫外光照实现蛋白脱附效应,随着光照时间的增长,蛋白的脱附量增加。掺Eu二氧化钛纳米点薄膜表现出良好的生物相容性,紫外光照条件下可实现细胞薄层的快速脱附,脱附的细胞仍维持较好的细胞活性。另外PS基板在PDA初步改性后,利用旋涂法在半湿润的PS-PDA表面成功制备出纳米颗粒致密堆积的Ti02/PDA复合膜层。膜顶层纳米二氧化钛较多,底层PDA较多,具有较高的结合力和紫外光透射率,良好的光致亲水效应。PS-TiO2/PDA具有良好的生物相容性并且能够实现表面细胞的快速脱附,为细胞收割提供了更便利直接的选择。2.基于聚多巴胺膜的电响应薄膜及生物分子调控研究PDA本身具有良好的电响应性,通过浸泡法在Ti基板表面制备出形貌致密均匀PDA膜。表面BSA和Starch两种生物分子的吸脱附实验证明,PDA膜不仅增强了基板的初始蛋白和多糖吸附性能,外电场作用下还能够进一步增强表面的蛋白吸附作用,减弱多糖的脱附效应。PDA在电场作用下存在三种状态:原状态,氧化态,还原态,三种状态变化可通过表面酚羟基和醌基的转换实现,并具有一定的可逆性,其中氧化态和还原态表现出更好的蛋白吸附性能。以BSA和BMP-2蛋白作为预吸附蛋白层,三种状态PDA膜对蛋白构象调控之后,对后续细胞增殖和分化起到明显的促进作用。3.基于聚吡咯的电场响应复合膜及药物释放研究通过热碱处理和阳极氧化法制备出较理想的Ppy/Dex膜包裹纳米纤维的结构,成功实现了药物的承载,并且与ECM复合之后表面保留了大面积的细胞外基质,暴露出较多的纳米尖端结构,获得了形貌均匀的Ppy/Dex/ECM复合膜,膜的表面形貌与ECM/Ppy的比例可通过调整电化学沉积参数来完成。ECM复合极大的改善了因承载Dex带来的Ppy膜生物相容性下降的问题,并且ECM的存在和Dex药物的释放协同促进了细胞的成骨分化性能,与此同时,极大的提高了复合膜的抗炎功能,在植入体表面改性领域具有较好的应用潜力。4.基于聚吡咯的双载药电响应薄膜及其选择性释放研究通过以对甲苯磺酸钠为掺杂剂的Ppy膜作为底层,换液沉积的方式成功制备出BSA和Hep共承载的BHP双层膜以改善顶层Ppy膜的生物相容性,膜内生物分子的含量可通过沉积电流和沉积时间的变化来进行调控。BHP双层膜的生物相容性良好,正电场条件下,BHP膜表面pH变化导致BSA的带电性由负转正,静电排斥作用使得BSA蛋白得到释放,并随着电场强度的增大而释放量增加,Hep的释放受到抑制;负电场下,Hep由于其分子量小,负电性较强,其具有优先释放的效应,BSA的释放受到抑制,最终实现了不同电性外场下双生物分子的选择性释放。细胞实验表明电控选择性释放BSA对细胞增殖具有促进作用,Hep的释放对细胞铺展有促进作用,并且Hep释放时间点对成骨分化促进作用有影响,一天和三天均释放Hep促分化效果最佳。本研究设计了不同种类的外场(光/电)响应性薄膜,利用外场实现对响应性材料表面生物分子的吸脱附和构象的有效调控,以实现细胞的高效脱附、细胞粘附、增殖、分化性能的提升,炎症的减缓,进一步探索了双生物分子在电场条件下的选择性释放机理。这些对光/电场有效调控材料表面生物分子与后续的细胞行为具有一定的意义。
【图文】：

４６］。Ｈｏｒｂｅｔｔ等还发现接触到血清１０秒和９０分钟的表面成纤维细胞的铺展逡逑数量相当［４７］。蛋白质的空间结构维持需要化学键的存在，依赖于聚合链原子间的逡逑作用力，这种作用力（离子键、亲疏水作用、氢键和范德华力等）虽然较之共价逡逑键要弱很多，却对维持蛋白稳定性起到了重要的作用［４８＇４９］。离子键是带有不同电逡逑荷的氨基酸之间相互吸引产生，可以将长肽链上两个带异种电荷的部分连接，从逡逑而导致蛋白构象的变化，此种作用力容易被溶液盐浓度以及ｐＨ影响％，５１］。氢键逡逑为生物体中最常见的作用力，由与不同肽键相邻的Ｎ原子Ｏ／Ｈ两种原子形成，逡逑以此产生特殊的多肽构象。逡逑生物材料表面对生物分子的吸附动力来自于整个体系自由能的减少，，主要来逡逑源于材料表面水分子的解吸（熵增加）和材料表面与生物分子间的引力（焓减少）。逡逑可以预料到，生物分子吸附到材料表面的过程中，生物材料与生物分子与生物体逡逑之间的界面自由能都趋向于最小，这过程中会导致生物分子的构象发生多种变化，逡逑这些构象变化会继而引发生物体对植入体的各种响应［５２，５３］。总的来说植入体表面逡逑生物分子的状态对植入体的生物学性能存在至关重要的影响，通过表面改性来调逡逑控生物分子的吸脱附与构象变化是增强植入体生物学性能的关键。逡逑逦逦逡逑

Ｗｅａｋ逦Ｊｓｒ（ｍＶｔｆ）邋ａ（ｎｍ）逡逑Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ逦、逡逑图１．５不同介孔形貌表面蛋白作用力的差异性［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
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TQ460.1

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本文编号：2710217