Modification and Biomedical Applications of Nano-Structual Butterfly Wings

摘要

具有有序微纳结构色的材料广泛存在于自然界中，随着生物源的微结构材料及仿生结构材料的研究的推进，对生物源的结构的机理的认识和复制变得越来越重要。天然有序结构（包括昆虫翅膀，羽毛，叶表皮，壳等），由于其新颖的结构和独特的光学性质，已经实现了各种各样应用，包括生化检测，光学传感，储能，组织工程等。此外基于生物源的有序结构材料制作的生物传感器在灵敏度，稳定性，安全性，小型化，便携性等方面具有明显的优势。基于有序微结构的传感研究已成为分析检测领域的研究重点，其高度有序的微结构具有很好的结构性能和光学特性，有利于传感器的小型化和集成化等。其中，基于典型的天然有序结构——大蓝闪蝶的相关研究已经得到广泛的应用。由于大蓝闪蝶具有明亮的结构色和有序的鳞片结构，目前已经报道了很多基于这种蝶翅的研究与应用，例如，基于表面有序结构定向排列的表面润湿性研究;基于表面极性不同而制作的气体传感和基于表面微结构热响应性而制作的温度传感器等。但是，很少有报道利用其结构和光学性质来进行荧光增强，用于生物检测与分析。
　　蝴蝶丰富多彩的颜色主要是由结构色和翅膀中所含色素形成的。其中，结构色来源于蝴蝶翅膀表面的光子晶体结构，这些光子晶体结构是由蝴蝶翅膀表面的微纳鳞片结构有序排列所形成。本论文中，我们首先讨论了生物源纳米材料及其结构的多样性，如:层状结构、多孔结构、螺旋结构等。除此之外，我们还讨论了这些结构给材料带来的独特性质，如超疏水性，粘附性和高强度等。本研究主要集中于蝶翅的各向异性纳米结构在生物医学领域的应用，包括细胞调控和可穿戴式传感器，主要的研究成果如下:
　　1)利用天然各向异性纳米结构的蝴蝶翅膀(Morpho menelaus，Papilio ulyssestelegonus和Ornithoptera Croesus lydius)开发了一种简单、环境友好的方法来诱导细胞定向生长。提出了两步化学处理蝶翅使其更适于细胞培养。此外，calcein乙酰氧基甲基酯(Calcein-AM)染色和Methylthiazolyldiphenyl-tetrazolium溴化物(MTT)测定结果表明NIH-3T3成纤维细胞在这些蝴蝶翅膀上可以很好的生长。此外，这些细胞生长过程中呈现出与蝶翅表面鳞片条纹结构同向生长的特点。这表明蝶翅表面的微结构对细胞的生长产生了诱导作用。
　　2)我们利用蝶翅设计了一个肝细胞生长和聚集体形成的三维模型，基于蝴蝶翅膀衍生的天然各向异性纳米结构维持肝细胞的功能。我们以简单，廉价和绿色的方法预先引入的这些底物和在这些底物上培养的NIH-3 T3成纤维细胞显示出沿着蝶翅的脊状的方向的排列，最终形成肝脏聚集体。我们预计这些天然的，可生物降解的和生物相容性的底物在肝培养模型中具有潜在的应用，并且可以应用到再生组织的发育中。
　　3)我们构建了一种以生物源的有序结构——大蓝闪蝶蝶翅为基底的微流体/微电子集成柔性贴片。这种贴片片同时结合了生物源的有序结构和自组装光子晶体层来增强标记物的荧光信号，用于提高免疫分析的灵敏度，可同时检测多种生物标记物，同时通过在条纹结构上刮涂石墨烯等碳材料构建微电子电路来实现细微运动的监测，这种生物源的贴片制备方法简单，原料来源广泛，可同实现快速多元检测，促进了有序结构在POCT技术中的应用，可以广泛应用于生物分析、临床检测、运动检测等领域。

目录

声明

摘要

Abstract

CHAPTER 1 An Introduction to Biomass-sourced and Bio-inspired Materials for Biomedical Applications

1．1 Introduction

1．2 Organisms in nature

1．2．1 Animals in nature

1．2．2 Plants in nature

1．2．3 Microorganisms in nature

1．3 Structures in nature

1．3．1 Micro-papillae structures

1．3．2 Hierarchical structures

1．3．3 Helical structures

1．3．4 Fibrous structures

1．3．5 Scale structures

1．3．6 Tubular structures

1．3．7 Cellular structures

1．4 Applications in biomedical fields

1．4．2 Cell culture

1．4．3 Biomaterial scaffolds

1．4．4 Biosensors

1．4．5 SERS

1．4．7 Electronic sensors

1．4．8 Microfluidics

Reference

CHAPTER 2 Chitin-Based Anisotropic Nanostructures of Butterfly Wings for Regulating Cells Orientation

2．1 Introduction

2．2 Experimental section

2．2．1 Reagents

2．2．2 Apparatus

2．2．3 Methods

2．3 Results and Discussion

2．4．Conclusions

References

CHAPTER 3 Hepatocyte aggregate formation on Chitin-Based Anisotropic Nanostructures of Butterfly Wings

3．1 Introduction

3．2 Materials and Methods

3．2．1．Materials

3．2．2．Apparatus

3．2．3．Methods

3．3．Results and discussion

3．4．Conclusions

References

CHAPTER 4 Disposable Morpho menelaus-based Flexible Microfluidic and Electronic Sensor for the Diagnosis of Neurodegenerative Disease

4．1 Introduction

4．2 Experimental Section

4．2．1．Materials

4．2．2．Experimental procedures

4．3 Results and discussion

4．4 Conclusion

References

CHAPTER 5 Conclusions and future perspectives

List of Publications

Acknowledgements