胶原膜表面图案化及其调控角膜细胞行为的研究

发布时间：2020-04-17 14:05

【摘要】：生物材料表面拓扑结构可以有效调控细胞的铺展、增殖、迁移和分化等一系列行为,在组织修复过程中发挥着重要作用,目前已引起极大的关注。对于角膜组织工程而言,天然角膜的基底膜表面及基质层中均存在丰富的微纳米拓扑结构,是角膜功能行使的结构基础。因此,将微纳米拓扑结构应用于角膜组织工程支架的构建,研究材料表面微纳米拓扑结构对角膜细胞的调控规律,不仅能加深人们对角膜细胞与其生长的微环境之间相互作用的理解,还对体外构建结构和性能仿生的角膜修复材料,促进角膜组织工程的发展具有重要的理论意义和应用价值。本研究使用胶原作为基底材料,采用软刻蚀与溶液浇注相结合的方法在胶原膜表面精确构建了深度相同,宽度分别为25μm、50μm和100μm的三种微米级沟槽结构,采用扫描电子显微镜、接触角测量仪和紫外-可见分光光度计等方法表征了微沟槽结构对胶原膜理化性能的影响,并通过体外细胞实验研究了其对角膜上皮细胞的形态及行为的调控作用。研究发现,微沟槽结构可使胶原膜的接触角由53°下降至30°~40°之间;微沟槽结构还能提高胶原膜的离子渗透性能,沟槽宽度为100μm的胶原膜的离子渗透系数能达到1.3×10~(-6) cm~2/s。细胞实验结果表明,角膜上皮细胞和基质细胞均能在微沟槽胶原膜上实现群体定向排列,取向程度最高可达80%。微沟槽胶原膜可促进上皮细胞的定向迁移,沟槽越窄,定向迁移速度越快。此外,微沟槽结构还能抑制基质细胞向肌成纤维细胞分化,随沟槽宽度增加,抑制效果越显著。本研究还模仿凸点结构在胶原膜表面构建了直径分别为2μm、5μm和10μm有序微点阵结构及其组成的混合微点阵结构,并利用原子力显微镜、接触角测量仪和体外细胞实验等手段研究了微点阵结构对胶原膜理化性能及角膜细胞形态和行为的影响。结果表明,与平滑胶原膜相比,微点阵胶原膜的表面疏水性和表面粗糙度显著增加;微点阵结构还能增加胶原膜的拉伸强度,10μm的微点阵胶原膜的力学强度可达1.8 MPa。细胞实验表明,微点阵结构能显著改变角膜上皮细胞和基质细胞的形态,使细胞形状由椭圆形、长方形和梭形向三角形和星形转变,细胞的面积和圆度降低,长径比增大;直径为10μm的微点阵结构能够诱导上皮细胞定向排列,取向度增加至40%;伴随着细胞的形态变化,微点阵胶原膜上细胞的粘附效率和增殖速率呈现出显著的下降趋势。综上,本研究基于材料表面拓扑结构与细胞相互作用这一基本科学问题,通过微纳加工技术在胶原表面构建了微沟槽和微点阵结构,研究其对胶原膜理化性能以及角膜细胞行为的影响规律,有助于进一步理解材料表面拓扑结构与角膜细胞之间的相互作用,对角膜组织工程支架的设计具有重要的指导意义。
【图文】：

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华南理工大学硕士学位论文根本原因。除了光学功能以外，作为眼球的最外层，，角膜还承担着感知外界刺激，保护眼球不受外部伤害等功能，这意味着角膜自身容易受到外界伤害，如物理伤害、化学灼伤和细菌或真菌感染等，而形成角膜病。若未及时处理或治疗，角膜病最终可能导致终身的视力下降甚至失明[18-20]。世界卫生组织的统计结果表明，角膜病是世界上最主要的致盲原因之一[21, 22]。一些角膜病通过及时的药物治疗可以有效治愈，但是，对于一些已经严重影响角膜视觉功能的角膜病来说，角膜移植是唯一的治疗方式[12]。然而，同种异体的天然角膜供体有限，这使得研发天然角膜替代物成为目前眼科学界急需解决的问题。

细胞形态,拓扑结构

图 1-2 利用拓扑结构在体外模拟重建与天然组织相似的细胞形态与结构[3]Fig. 1-2 Mimicking in vivo embryo, neural, and cardiac tissue organizations via fabricatemicrotopographies in vitro platforms
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08

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