生物材料

摘要\n聚合物在生物材料方面的应用越来越引起人们的兴趣。研究人员一直在尝试将金属氧化物或金属纳入聚合物中，以获得显著提高所得到聚合物材料的理想性能，如导电性和抗菌活性。这类材料的一个很有前途的技术是原子层沉积( ALD )。通过沉积一层非常薄的金属或金属氧化物薄膜，人们可以在不损失聚合物独特的本体性能的前提下利用这些材料的特性，然而，由于表面和亚表面薄膜的生长，这种材料在聚合物上的沉积在一定程度上变得困难。\n本研究在O2等离子体处理和非等离子体处理的PDMS上，研究了TiO2在聚二甲基硅氧烷( PDMS )上成核和生长初期的原子层沉积( ALD )，采用X射线近边结构吸收、扫描电子显微镜/能量色散X射线能谱和X射线光电子能谱对材料进行表征。结果表明，等离子体处理的PDMS表面发生了类ALD的TiO2表面生长，对于非等离子体处理的原始PDMS，TiO2在聚合物亚表面得到了明显的有利扩散/浸润，至少前25个ALD循环没有明显的外表面沉积。

生物活性表面和材料在多种组织工程应用中显示出巨大潜力，但往往难以完全模拟复杂的身体系统。细胞外基质( ECM )是所有组织中重要的生物活性成分，最近被确定为一种潜在的溶液，可与生物材料结合使用。在组织工程中，ECM可以通过使用对再生过程至关重要的生化和生物力学线索，在各种应用中得到应用。然而，维持天然细胞分泌的ECM的维度、空间取向和蛋白质组成的可行解决方案在组织工程中仍然具有挑战性。因此，本工作采用软光刻技术制造了具有三维性质的微图形化聚二甲基硅氧烷( PDMS )基底，以控制细胞的黏附和对准。细胞排列在微图案的PDMS上，分泌和组装ECM，并脱细胞产生排列的基质生物材料。与对照组相比，接种到去细胞化、模式化ECM上的细胞表现出高度的排列和沿模式迁移。这项工作开始为阐明天然细胞分泌的ECM在指导细胞功能方面的巨大潜力奠定基础，并为将天然生物活性成分纳入新兴的组织工程技术提供进一步指导。

大量细胞生长在不同曲率和曲率梯度的柱状组织和器官中。因此，有必要研究曲率对细胞行为的影响，以控制和促进细胞发育。本文采用紫外软光刻技术制备了具有不同微纳米图案的聚二甲基硅氧烷( PDMS )。将亲水性聚多巴胺( PDA )修饰在PDMS表面制备PDMS / PDA，以提高其生物相容性。采用接触角测试仪和扫描电镜( SEM )对PDMS / PDA进行表征，通过SEM、倒置相差显微镜和荧光显微镜研究曲率对骨细胞迁移和分化的影响。我们发现不同的曲率对骨细胞的迁移和分化有不同的影响。软骨细胞在曲率范围为1 / 575 - 1 / 875  μm-1的沟槽内快速迁移，骨髓间充质干细胞( bone mesenchymal stem cells，BMSCs )在曲率范围为1 / 775 - 1 / 1375  μm-1的沟槽内向软骨细胞分化效率高，且在不同周长曲率的微长曲率的微纳米模式边缘处BMSCs向软骨细胞分化效率高，在120°凸曲率处分化效率最高。这项工作表明曲率是骨组织再生工程中需要考虑的一个原则，为今后的生物材料设计提供了启发。

细胞感知和响应周围微环境的机械信号的能力是组织工程和再生中的关键问题之一，然而，对既有细胞观察又有机械刺激的细胞进行基础研究具有挑战性，应以适当的微器件为基础。我们设计并制作了一个两层微流控芯片，可以同时观察活细胞和循环拉伸的弹性聚合物聚二甲基硅氧烷( PDMS )，表面修饰以增强细胞粘附。人间充质干细胞( hMSCs )的频率范围为0.00003 ~ 2Hz，振幅为2 %、5 %或10 %。初始随机取向的细胞在大于阈值的频率下被证实是垂直于拉伸方向的重取向，我们称之为临界频率( fc )，且临界频率fc与振幅有关。我们进一步引入了临界拉伸速率( Rc )的概念，发现该量可以统一频率和振幅依赖关系。本研究中Rc的倒数为8.3 min，与文献报道的肌动蛋白丝周转时间一致，提示细胞骨架内的超分子弛豫可能是细胞底层的机械性转导所致。基于单轴循环拉伸下的二维张拉整体模型的细胞重定向理论计算与我们的实验吻合较好。上述发现为生物材料在生物力学刺激下，临界频率和临界拉伸速率在细胞调控中的关键作用提供了新的认识。

用于油/水分离的疏水性磁性吸收剂多孔基材的大多数成分有毒、环境不相容、难以降解。为了解决这一问题，本工作成功制备了磁性壳聚糖( CS )基聚二甲基硅氧烷( PDMS )修饰的气凝胶。通过CS、衣康酸和Fe3O4纳米颗粒( FeNPs )在水溶液中的静电作用构建磁性多孔基底，然后进行冷冻干燥过程。通过PDMS的交联反应将疏水性能呈现给基底。制备的气凝胶密度低( 0.0655 g / cm3 )，孔隙率高( 92 % )，对测试有机液体具有较高的吸收能力( 8.89 ~ 22.38 g / g )。硅烷化过程使气凝胶具有优异的疏水性能(水接触角为147.1 ° )，从而选择性地从不相溶的油水混合物和水包油乳液中吸油。由于FeNPs分布均匀，通过外加磁场实现了气凝胶的远程控制，其饱和磁化强度为11.22   emu / g，并且气凝胶还可以通过充当过滤器重油和水。实验结果表明，这种可再生、环保、双功能的气凝胶在含油废水修复方面具有很大的潜力。

由于人体和组织在日常活动中不断受到不同的机械应力，近来利用物理刺激进行细胞培养一直是研究热点。然而，动态拉伸培养系统在不同表面接枝亲水性层上对细胞粘附和增殖的协同作用的研究尚不多见。本研究假设动态培养下MG-63细胞的黏附和增殖会受到表面化学的影响。PDMS细胞培养基质表面接枝5种常用生物相容性材料，即海藻酸盐、Ⅰ型胶原、纤维连接蛋白、聚l-赖氨酸、层粘连蛋白。结果表明，在静态和动态培养条件下，表面电荷和表面亲水性与MG - 63细胞的黏附和增殖均无明显相关性。Ⅰ型胶原接枝PDMS基底结合适当的物理刺激后，MG - 63细胞表现出良好的增殖和成骨细胞相关蛋白的表达，这可能与表面接枝层对细胞外环境的适应有关。而且，超声清洗后表面接枝Ⅰ型胶原层保持稳定。因此，将动态培养体系与适当的修饰层结合起来，可以为临床选择合适的生物材料以及未来的组织/细胞培养应用提供帮助。

聚二甲基硅氧烷( PDMS )具有使用方便、弹性好、光学透明、微加工成本低等优点，是用于芯片上器官设备和微生理系统的主要材料。然而，PDMS对小分子疏水分子的吸附以及PDMS负载器件的高通量制造能力有限，严重限制了这些系统在个性化医学、药物发现、体外药动学/药效学( PK / PD )建模以及细胞对药物反应研究中的应用。因此，相对年轻的片上器官设备和MPS领域正逐步开始为这些关键应用过渡到替代的非吸收材料。本综述审查了在开发由弹性体、水凝胶、热塑性聚合物和无机材料等替代材料组成的片上器官装置和MPS方面所采取的一些第一步。同时也提供了PDMS-交替器件走向何处以及基于PDMS替代材料的多功能器件发展中必须克服的障碍的展望。

近年来，片上器官( OoC )系统引起了不同学科研究者越来越多的兴趣。OoCs以微型化的方式使体内样微环境的再创造和广泛不同组织或器官的或器官。通常，OoC平台是基于聚二甲基硅氧烷( PDMS )制成的微流控芯片，PDMS具有良好的生物相容性、透氧性和快速成型性，但其对小分子疏水分子(包括多种测试化合物、激素和细胞因子)的吸附能力有限。OoC系统的另一个共同特点是膜的集成( i )分离不同的组织室，( ii )将对流灌注限制在介质通道，( iii )为细胞单层提供机械支持。通常，多孔聚合物膜是通过轨迹刻蚀(例如聚对苯二甲酸乙二酯)来显微结构的；PET )或光刻(如PDMS )。虽然已经利用了不同生物力学性质的膜(刚性PET到弹性PDMS )，但膜结构和材料大多停留在人工状态，与体内条件(细胞外基质)不相似。在此，我们报道了一种利用激光结构的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA )在OoC模块中可靠制备和集成电纺膜的方法，选择PMMA作为基材，在避免吸收问题的同时提供了类似PDMS的光学参数和生物相容性。利用静电纺丝技术生成3D膜，可以生成类似于原生细胞外基质( ECM )的微环境。我们对两种不同的电纺膜进行了测试，并建立了紧密集成到PMMA模块中的工艺。人(微血管)内皮和(视网膜色素)上皮细胞层可在系统内成功培养7天，而直接接触(内皮细胞)或保护(上皮细胞)不受剪切流的影响。

鉴于健康领域需求的全球全景，生物材料的发展对于维持和/或提高人类的生活质量变得不可阻挡。为了减少真皮结构愈合过程中感染的影响，本论文提出了一种含聚六亚甲基二胍( PHMB )抗菌剂的聚二甲基硅氧烷( PDMS )基膜。本研究对聚二甲基硅氧烷( PDMS )薄膜与0.1 %、0.3 %和0.5 % ( w / w )的聚六亚甲基双胍( PHMB )共混后的抗菌和抗生物膜性能进行了评价，旨在开发一种免受自交和变态菌群皮肤感染的保护性生物材料。PHMB负载PDMS的圆盘扩散已显示对大肠杆菌( ATCC 9637 )、铜绿假单胞菌( ATCC 27953 )、鲍氏不动杆菌( ATCC 19606 )、金黄色葡萄球菌( ATCC 6538 )、表皮葡萄球菌( ATCC 12228 )、化脓链球菌( ATCC 19615 )、枯草芽孢杆菌( ATCC 6633 )以及也有酵母样真菌白色假丝酵母菌的生长抑制作用，所有微生物在表皮表面。同样，本研究显示PHMB负载的PDMS在较低浓度( 0.1 % w / w )下对HaCaT和L929细胞的细胞毒性较低，表明该材料用于创伤、烧伤和术后换药的可能性。