基于L-DOPA的仿生表面修饰及碳量子点荧光探针用于细胞的可控与可视化研究

摘要

伴随经济的发展，脊髓损伤的发病率也在增加。神经干细胞移植是治疗脊髓损伤最具前景的方法，研究利于神经干细胞生长的组织工程支架对脊髓损伤的治疗有重大意义。组织工程的“三要素”为支架材料、种子细胞和生物活性分子，其中支架材料的构建是组织工程研究的重点。对支架进行适当的修饰，以调控神经干细胞的黏附、增殖及分化，诱导神经干细胞图案化、阵列化生长是组织工程在脊髓损伤修复中的关键之一。为研究移植入体内的神经干细胞生存状况，对其监测追踪也很重要。因此，本博士论文围绕神经干细胞的可控化与可视化，分别研究了支架材料的表面修饰和碳量子点荧光探针的合成及细胞成像。
　　首先，研究了在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底材料上实现细胞图案化与阵列化生长的方法。其一，研究了左旋多巴(L-DOPA)与胶原蛋白对PDMS的表面修饰对神经干细胞的影响。通过检测水接触角、表面元素组成、表面形貌等验证了修饰的成功。通过L-DOPA与胶原蛋白的共同作用，得到了利于神经干细胞黏附、生长及分化的 PDMS组织工程材料。其二，从抵抗细胞黏附的角度，用微接触印刷法实现了细胞的图案化、阵列化生长。先用L-DOPA提高PDMS表面的亲水性，使其利于细胞黏附，再用微接触印刷法将高浓度胶原蛋白转移到 PDMS表面，细胞选择性黏附于没有胶原蛋白的位置。通过L-DOPA与高浓度胶原蛋白的共同作用，从抵抗细胞黏附的角度控制细胞，实现了神经干细胞在 PDMS表面的图案化、列队化生长。其三，运用计算机控制的微操作系统，结合数学建模，理论模拟实现对细胞图案化、阵列化生长更精确的控制。先建立了微操作机械手臂涂覆过程中玻璃微针压入 PDMS基底的深度与涂覆溶液宽度的数学模型，再按模型操作机械手臂将血清涂覆于L-DOPA修饰的PDMS表面。神经干细胞在涂覆有血清的基底形成了明显的细胞列队，用新的统计学方法分析细胞的生长角度，得到了细胞的分布规律。最后，采用建模和仿真的方法，成功模拟了细胞列队生长的过程。
　　其次，使用L-DOPA结构类似物绿原酸修饰PDMS表面，使其具有抑菌及促进哺乳动物细胞黏附的双重功能，并阐明其抑菌机制。其一，利用绿原酸修饰PDMS基底，使其具备抑制细菌生长和促进哺乳动物细胞生长的双重功能。通过分子动力学模拟，揭示了修饰过程中能量变化及分子结合状态。绿原酸与PDMS是通过范德华力与静电吸附结合的，绿原酸疏水的肉桂酸基团与 PDMS表面紧密结合，亲水的奎宁酸基团暴露于水中，从而使绿原酸修饰后的 PDMS表面具有更高的亲水性。另外，原子力显微镜(AFM)扫描发现，修饰过的PDMS表面有更高的粗糙度。亲水性和粗糙度的提高，促进了哺乳动物细胞的黏附及增殖。绿原酸本身具有抑菌的性质，因此，绿原酸修饰后，PDMS表面具有了抑制细菌生长和促进哺乳动物细胞生长的双重功能。其二，研究了经绿原酸修饰的 PDMS表面的抑菌机制。使用AFM扫描了大肠杆菌的表面形貌，测量了其杨氏模量及膨胀压力。研究发现：生长于经绿原酸修饰的 PDMS基底上的大肠杆菌表面变得光滑、杨氏模量减小、膨胀压力变小。进一步将大肠杆菌洗脱后的研究发现，其丛集运动能力及生物膜稳定性均显著降低，表明绿原酸对大肠杆菌的影响具有持续性，预示着绿原酸处理后的细菌对抗生素抵抗力的下降。
　　最后，为最终实现神经干细胞的追踪观测，对粒径小、量子产率高、生物相容性好的碳量子点荧光探针开展了一系列研究。其一，以L-DOPA为前体，采用煅烧法合成了氮掺杂荧光碳量子点。这种新方法简便、快捷、不污染环境，产物N-Cdots荧光量子产率高，还具有多色成像、上转换性质及良好的生物相容性。其二，以水热回流法合成水溶性碳量子点。所得碳量子点还具有量子产率高、荧光稳定及生物相容性好的优点。除应用于细胞荧光成像外，因其表面含有丰富的羟基等功能基团，与其他基团偶联，可进一步功能化后可应用于其他领域。
　　本论文围绕神经干细胞的可控化与可视化，建立了基于 L-DOPA的 PDMS支架材料表面修饰方法，实现了神经干细胞的图案化及阵列化生长，制备了抑菌表面，并且阐明了相关的机制，为支架材料的体内移植打下良好的基础。合成了粒径小、量子产率高、生物相容性好的碳量子点荧光探针，为追踪监测移植入体内的神经干细胞提供了工具。

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缩略语表

第一章 绪论

第一节 研究背景

第二节 研究目的、意义和内容

第三节 本论文的结构安排

第二章 基于表面修饰法的神经干细胞可控化研究

第一节 表面修饰法调控神经干细胞的生长分化

第二节 微接触印刷法用于控制神经干细胞的阵列化生长

第三节 微涂覆法用于控制神经干细胞阵列化生长的研究

第三章 绿原酸表面修饰法制备抑菌表面及其抑菌机制研究

第一节 绿原酸表面修饰法制备表面抑菌材料

第二节 绿原酸表面抑菌材料的抑菌机制研究

第四章 碳量子点的合成及细胞成像研究

第一节 氮掺杂碳量子点的合成、细胞成像及生物相容性评价

第二节 水热回流法制备水溶性碳量子点及其细胞成像、生物相容性评价

第五章 结论与展望

第一节 主要结论

第二节 主要创新点

第三节 展望

参考文献

致谢

个人简历

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