微图案化透明超亲/超疏水模板及细胞与生物材料相互作用的原位/高能量研究

摘要

浸润性是固体表面最基本、最重要的性质之一，液体在固体表面的润湿行为受到固体表面化学组成和微观结构的严格调控。超亲/超疏水表面由于浸润性极端差异引起人们的广泛关注，成为当前科技研究的一个焦点。生物表面反应是生物材料研究的核心，生物分子、细胞、组织与基体材料之间的相互作用必然首先发生在表面，进而影响生物体与基体材料间所有的后续反应。构筑一种适合的超亲/超疏水表面，对于调控生物材料的生物相容性和生物活性显得十分重要。传统的生物学研究方法尚存在耗时、破坏性和非原位等缺点。深入研究细胞和生物材料间的相互作用机制，迫切需要发展原位、实时、无干扰、高通量的研究技术。
　　本论文基于仿生学观点，侧重发展物理化学方法，在导电玻璃基底表面制备透明的TiO2纳米结构薄膜，利用单层分子自组装技术构筑超疏水表面，通过系统研究关键性制备参数和影响因素，实现对TiO2纳米结构膜层透光率和浸润性的调控。采用光催化转印技术研制成功不同图形、尺寸的透明超亲/超疏水微图案模板，并运用电化学沉积技术构筑微图案化的活性生物材料、医用抗菌材料及复合生物医用材料，实现了高通量地考察、评价生物材料的生物相容性和抗菌性能。此外，基于所建立的透明超亲/超疏水模板实验平台，并结合原位细胞观察技术及扫描微探针显微技术(AFM)，实现原位、实时、无干扰、高通量研究细胞与生物材料表面相互作用过程，考察材料表面浸润性和微环境对细胞行为的调控，探讨细胞运动状态与细胞力学特性（弹性）间的内在关系。主要研究成果及进展如下:
　　1.利用射频溅射-电化学阳极氧化法在ITO基底表面构筑一层透明的TiO2纳米管薄膜，考察电解液组成、阳极氧化电位、反应温度对透明TiO2纳米管膜层的形成、表面形貌以及孔径结构等影响，通过表面氟硅烷分子层的修饰和TiO2纳米结构膜层的光催化作用，实现了在透明基底表面超亲水(接触角＜5°)-超疏水（接触角＞150°）的可逆转化。
　　2.利用化学浴沉积法在FTO基底表面构筑透明的TiO2纳米结构薄膜，运用单层分子自组装技术构筑获得具有良好的光致可逆的超疏水表面。详细考察了化学浴沉积法制备超疏水透明TiO2纳米颗粒膜层的影响因素及形成机理，发现沉积温度主要控制膜层的沉积速度和钛源的利用率，而沉积时间则对膜层形貌和最终的沉积量有显著影响，热处理有助于提高TiO2纳米颗粒膜层的光催化性能以及与基底间的结合力。
　　3.利用TiO2光催化性能和光掩模的选区紫外光照射，成功制备了高透明度且具有显著浸润性差异的超亲/超疏水微图案模板，其模板图案与光掩模设计图案精确对应，从而实现了超亲水和超疏水微单元在透明表面的有序集成。
　　4.运用电化学沉积或光还原技术构筑微图案化的活性生物材料磷酸八钙(OCP)、医用抗菌材料银以及复合生物医用材料，所获得的生物材料微图案阵列均与光掩模图形保持一致。细胞黏附实验表明，MG63基本完全黏附于OCP微图案表面，而hFOB1.19细胞则部分黏附于超疏水区域，表现出一定的对疏水表面的亲和性。抗菌实验表明，银微图案的抗菌性能不仅与银的含量有关，还与银的晶体结构有关。实验证明，光还原法制备的银微图案抗菌效率极高，有效抗菌面积可达到自身面积的15倍之多。
　　5.采用透明超亲/超疏水微图案模板，实现在不同模板上活细胞微图案的构筑，原位荧光观察显示，微图案中的细胞状态良好。利用原位观察技术实时跟踪观测不同尺寸透明超亲/超疏水模板上Hela细胞和MG63细胞行为，发现模板对于Hela细胞的相互联系和运动行为，有一定的诱导作用。连续7天观察模板上MG63细胞行为，发现细胞的生长增殖行为主要受超亲水微单元尺寸的调控，而细胞的运动迁移行为主要受超疏水间隔距离的影响，二者因素均存在相应的阀值，突破阀值即可实现细胞功能的转变。
　　6.运用AFM测量不同透明模板上MG63细胞力曲线，探讨细胞弹性与细胞运动状态间的内在联系。结果表明，随着超亲水微单元尺寸和超疏水间隔的逐渐缩小，细胞骨架深度分布先变深后变浅，而弹性则表现出先变软后变硬的特点。结合对透明模板上细胞行为的原位观察和分析，初步建立微环境对MG63细胞骨架分布和弹性模量影响的模型。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 固体表面的浸润性

1．1．1 浸润性的理论基础

1．1．2 固体表面浸润性的状态

1．1．3 仿生超疏水表面

1．2 表面微图案化技术

1．2．1 微接触印刷技术

1．2．2 喷墨印刷技术

1．2．3 自组装单分子层的光致图案化技术

1．3 生物医用材料

1．3．1 硬组织替代材料

1．3．2 医用抗菌材料

1．4 高通量评价技术

1．5 本论文的研究目的和主要内容

参考文献

第二章 实验方法和仪器

2．1 实验试剂和材料

2．2 TiO2纳米薄膜的制备

2．2．1 透明TiO2纳米管／孔膜层的制备

2．2．2 透明TiO2纳米颗粒膜层的制备

2．2．3 超疏水透明TiO2纳米薄膜的制备

2．2．4 超亲-超琉水透明微图案的制备

2．3 超亲-超疏水微图案生物医用材料的制备

2．3．1 电化学沉积法制备图案化生物医用材料

2．3．2 光催化还原法制备图案化抗菌材料

2．4 纳米薄膜和微图案生物材料的组成和结构表征方法

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．2 电子探针显微镜(EPMA)

2．4．3 光学显微镜(OM)

2．4．4 X射线衍射(XRD)

2．4．5 原子力显微镜(AFM)

2．4．6 激光拉曼光谱(Raman)

2．5 纳米薄膜和图案化生物材料的性能和应用表征

2．5．1 TiO2纳米薄膜浸润性能的表征

2．5．2 TiO2纳米薄膜透光性能的表征

2．5．3 超亲-超疏水透明TiO2纳米薄膜和图案化生物材料的细胞实验

2．5．4 图案化抗菌材料抗菌性能的表征

2．5．5 超亲-超疏水图案化细胞的弹性模量研究

参考文献

第三章 超疏水透明TiO2纳米管／孔膜层的制备和表征

3．1 引言

3．2 透明TiO2纳米管／孔膜层的制备

3．3 超疏水透明TiO2纳米管／孔膜层的构筑和表征

3．4 电化学制备透明TiO2纳米管／孔膜层的影响因素

3．4．1 电解液组成

3．4．2 阳极氧化电位

3．4．3 反应温度

3．5 本章小结

参考文献

第四章 超疏水透明TiO2纳米颗粒膜层的制备、机理和应用

4．1 引言

4．2 超疏水透明TiO2纳米颗粒膜层的制备和表征

4．2．1 透明TiO2纳米颗粒膜层的制备与表征

4．2．2 超疏水透明膜层的构筑

4．3 化学浴法制备超疏水透明膜层性质的影响因素

4．3．1 沉积温度

4．3．2 沉积时间

4．3．3 热处理

4．4 透明TiO2纳米颗粒膜层形成机理

4．5 超疏水透明膜层的相关应用

4．6 本章小结

参考文献

第五章 基于透明超亲-超疏水模板的图案化生物医用材料的高通量构筑和应用

5．1 引言

5．2 透明超亲-超疏水图案化模板的制备

5．3 磷酸八钙(OCP)活性生物材料的图案化构筑与细胞实验

5．3．1 OCP图案化生物材料的构筑和表征

5．3．2 MG63和hFOB1．19细胞与材料相互作用的原位观察

5．4 银涂层微图案的电化学制备及其抗菌性能

5．4．1 银涂层微图案的电化学制备和表征

5．4．2 银涂层微图案的抗菌性能

5．5 微图案化的银纳米膜层光还原制备及其抗菌性能

5．5．1 微图案化的银纳米膜层光还原制备和表征

5．5．2 银纳米膜层微图案的抗菌性能

5．6 复合生物医用材料的高通量构筑

5．7 本章小结

参考文献

第六章 透明超亲-超疏水模板上细胞行为以及MG63细胞弹性模量的原位研究

6．1 引言

6．2 透明超亲-超疏水模板表面细胞阵列的构筑

6．3 透明超亲-超疏水模板上细胞行为的原位观察和研究

6．3．1 Hela细胞在透明超亲-超疏水模板上细胞行为的原位观察

6．3．2 模板调控的MG63细胞黏附、增殖行为研究

6．4 透明超亲-超疏水模板上MG63细胞弹性模量的研究

6．4．1 AFM研究细胞弹性模量的基本原理

6．4．2 透明超亲-超疏水模板上MG63-AFM针尖作用力曲线的采集和分析

6．5 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

作者攻读博士学位期间发表与交流的论文

致谢