基于明胶-海藻酸钙的微图案化制造及其对细胞行为调控的研究

发布时间：2020-06-08 16:20

【摘要】：生物材料与机体间相互作用的研究是再生医学、组织工程和材料科学的一个重要交叉前沿,日益受到关注。而通过调控物理因素来控制细胞命运是近年来进行生物材料-机体(细胞/组织)间相互作用研究的热点。微图案化技术是一种依靠物理拓扑学实现机械力指导细胞行为的方法。近年来,微图案化技术逐渐成熟,成为了研究控制细胞命运的有力手段。通过设计生物材料的亲疏水表面,优化细胞外基质蛋白的微图案化拓扑结构分布,可以有效调控干细胞的粘附、生长分布和取向,从而进一步影响细胞定向分化的行为。通过将干细胞限定于生物材料表面的微图案化拓扑结构,可以实现细胞的微图案化,从而研究微图案化对细胞上游细胞骨架动力学和下游基因表达的影响,最终实现对干细胞伸展、迁移、分化等行为的调控。本论文提出了一种创新的基于明胶-海藻酸钙的微图案体系,该微图案体系可以实现不同形状、不同尺寸,从单细胞到多细胞,从同种细胞到异种细胞的2D细胞微图案化,并由此实现对细胞行为的调控。物镜及荧光染色结果表明,该创新的基于明胶-海藻酸钙的微图案体系能将单细胞有效限定于正方形、矩形、圆形和三角形微图案中,能将多细胞有效限定于正方形、矩形、圆形、三角形、菱形、五角星形、网格状、棋盘状、条纹状及方格状微图案中,并通过洗脱海藻酸钙实现了对单细胞或多细胞迁移的调控和对不同种多细胞选区生长的调控。ALP和油红O染色结果表明该创新的基于明胶-海藻酸钙的微图案体系实现的bMSCs单细胞2D微图案化对其成骨和成脂分化有显著影响,其中正方形和圆形的微图案更容易促进bMSCs向成脂方向分化,而矩形和三角形微图案则更容易促进bMSCs向成骨方向分化。本论文的创新明胶-海藻酸钙微图案体系廉价易得、操作简便、无细胞毒性且生物相容性优异,有助于研究微图案对干细胞限定、迁移、分化的影响和异种细胞人工组织的构建。
【图文】：

流程图,光刻工艺,流程图,图案化

化技术化技术最早应用于微电子领域，与生物领域交叉后成为研究细胞持。目前，用于生物学研究领域的微图案化技术主要有具有化学构图案化和基于拓扑学的物理结构图案化[1]。而用于制备上述微是光刻法和软刻蚀法等微图案化技术[2-4]。技术中电子集成电路的图案化是光刻技术最初的应用方向，是利用以及化学-光学反应原理，将电路图案“复制”到单晶表面或者介功能图形或图形窗口的技术。近年来半导体技术的不断更新换制”微图案的尺寸从毫米级缩小到了亚微米级，这使得光刻技密的微图案加工技术[5-9,13]。

示意图,软刻蚀,工艺,示意图

光刻技术有优异的固态材料的成型能力，可以在固态材料表面刻蚀出非常精确的亚微米级的微图案。但是，光刻技术的运用所需设备非常高昂，同时对实验室洁净度要求极高，这使得其在生物学领域的普及并非十分顺利。而且在光刻过程中使用的某些化学试剂有是一定毒性的，会导致生物分子变性，，甚至使细胞死亡[14,15]。在光刻技术中，能够运用的材料非常有限。由于光衍射现象的存在，制备的微图案的尺寸是有一定极限的，而且无法直接进行平面的微图案化[16]。1.1.2 软刻蚀技术软刻蚀技术用弹性模板代替了光刻技术中的光刻胶[17,5]。由于光刻技术的成本很高、要求环境苛刻，所以软刻蚀技术日渐成为生物材料微图案化研究的首选方法。软刻蚀技术的原理是，先利用光刻技术制备出具有微图案的光刻胶模板，再使用弹性材料如 PDMS 等，对光刻胶上的微图案进行精确、反向的“复制”，这样可以提高微图案化的效率，同时降低加工的成本[18-20]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08

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