水凝胶

3D打印有机硅( PDMS：聚二甲基硅氧烷)植入物的最新进展为具有高度精确解剖一致性的个性化植入物提供了前景。但仍存在潜在的不良反应，如免疫反应引起的肉芽肿形成。克服这一问题的一个潜在方法是使用免疫调节涂层控制种植体/宿主界面。本研究设计了一种由白介素-10和前列腺素E2组成的新型细胞因子鸡尾酒，通过长期固定巨噬细胞进入M2促愈合表型，减少免疫不良反应，促进组织整合。在体外，细胞因子鸡尾酒维持低水平的促炎细胞因子( TNF-α和IL-6 )分泌并诱导IL-10的分泌和多功能清除分选受体刺激素-1的上调，由M2巨噬细胞表达。然后将这种鸡尾酒装入明胶基水凝胶中，研制出一种可作为医疗器械涂层的免疫调节材料。在3D打印硅胶种植体重建气管缺损的体内大鼠模型中，证明了这种涂层的有效性。涂层在有机硅种植体上稳定2周以上，鸡尾酒成分的控制释放至少达到14天。在体内，裸硅种植体的动物仅33 %存活，而配置免疫调节水凝胶的种植体则100 %存活。水凝胶和细胞因子鸡尾酒的存在降低了炎症组织的厚度、急慢性炎症的强度、整体成纤维细胞反应、水肿的存在和纤维蛋白样的形成(经组织学评估)，导致100 %的存活率。在系统水平，免疫调节水凝胶在第7天显著降低促炎细胞因子TNF - α、IFN - γ、CXCL1和MCP - 1水平，在第21天显著降低IL - 1 α、IL - 1 β、CXCL1和MCP - 1水平。

3D打印有机硅( PDMS：聚二甲基硅氧烷)植入物的最新进展为具有高度精确解剖一致性的个性化植入物提供了前景。但仍存在潜在的不良反应，如免疫反应引起的肉芽肿形成。克服这一问题的一个潜在方法是使用免疫调节涂层控制种植体/宿主界面。本研究设计了一种由白介素-10和前列腺素E2组成的新型细胞因子鸡尾酒，通过长期固定巨噬细胞进入M2促愈合表型，减少免疫不良反应，促进组织整合。在体外，细胞因子鸡尾酒维持低水平的促炎细胞因子( TNF-α和IL-6 )分泌并诱导IL-10的分泌和多功能清除分选受体刺激素-1的上调，由M2巨噬细胞表达。然后将这种鸡尾酒装入明胶基水凝胶中，研制出一种可作为医疗器械涂层的免疫调节材料。在3D打印硅胶种植体重建气管缺损的体内大鼠模型中，证明了这种涂层的有效性。涂层在有机硅种植体上稳定2周以上，鸡尾酒成分的控制释放至少达到14天。在体内，裸硅种植体的动物仅33 %存活，而配置免疫调节水凝胶的种植体则100 %存活。水凝胶和细胞因子鸡尾酒的存在降低了炎症组织的厚度、急慢性炎症的强度、整体成纤维细胞反应、水肿的存在和纤维蛋白样的形成(经组织学评估)，导致100 %的存活率。在系统水平，免疫调节水凝胶在第7天显著降低促炎细胞因子TNF - α、IFN - γ、CXCL1和MCP - 1水平，在第21天显著降低IL - 1 α、IL - 1 β、CXCL1和MCP - 1水平。

组织屏障通过建立组织分隔和调节器官稳态在人体生理中发挥重要作用。在细胞外基质( ECM )与流动流体的界面处，上皮和内皮屏障负责溶质和气体交换。在过去的十年里，微流控技术和芯片上的器官设备成为流行，因为体外模型能够重复使用这些生物屏障。然而，在传统的微流控装置中，细胞屏障主要生长在聚二甲基硅氧烷( PDMS )通道内的硬聚合物膜上，这些膜既不模拟细胞与ECM的相互作用，也不允许将基质组织或血管结构等其他细胞血管结构。为了开发精确地解释组织屏障的细胞和脱细胞间隔不同的模型，研究者们将水凝胶集成到微流控芯片上进行组织屏障研究，或者作为芯片内部的细胞底物，或者作为自包含的器件。这些生物材料提供了组织屏障的软力学性能，并允许基质细胞的嵌入。水凝胶与微流控技术相结合为更好地在体外重建包括细胞成分和体内组织功能在内的组织屏障模型提供了独特的机会。这些平台有可能大大提高体外系统在药物开发或疾病建模等应用中的预测能力。尽管如此，它们的发展在其微制造方面也并非没有挑战。本文将就近年来驱动水凝胶微流控平台的制备及其在多种组织屏障模型中的应用进展。

一种可替代的颅内动脉瘤栓塞剂正在以水凝胶的形式出现，因为它可以在液相中注入并原位固化。与弹簧圈栓塞等固体植入物相比，水凝胶具有填充动脉瘤囊的能力。最近，在体外实现光聚合聚乙二醇二甲基丙烯酸酯( PEGDMA )水凝胶的可行性已被证明用于动脉瘤的应用。尽管如此，这类水凝胶的物理和力学性能还需要进一步的表征来评估其长期的完整性和稳定性，以避免植入物压实和动脉瘤随时间而复发。为此，调节水凝胶的分子量和聚合物含量，使其与动脉瘤组织的弹性模量和顺应性相匹配，同时使溶胀体积和压力最小化。将水凝胶前驱体注射并光聚合于体外动脉瘤模型中，通过在3D打印水溶性牺牲模周围浇注聚二甲基硅氧烷( PDMS )设计。然后在生理脉动流作用下对水凝胶进行疲劳试验，诱导周向和剪切应力的组合。该水凝胶经550万次循环后，种植体未见明显失重，聚合水凝胶也未向母动脉突起或迁移。与未加载水凝胶的2μm最大值相比，加载后观察到2 ~ 10μm深度的轻微表面冲蚀缺陷。这些结果表明，我们微调的光聚合水凝胶有望承受体内植入研究的生理条件。

近十几年来，水凝胶由于具有生物相容性、可降解性以及广泛可调的力学性能，在体外模拟三维( 3D )脑结构方面显示了巨大的潜力。为了更好地理解体外人脑模型和力学传导过程，我们根据我们在微型聚二甲基硅氧烷( PDMS )环中的经验，将光聚合明胶甲基丙烯酰基( GelMA )与聚丙烯酸乙二醇酯( PEGDA )相比较，制备了三维水凝胶模型。3D SH - SY5Y神经母细胞瘤细胞在GelMA中呈长条状、分枝状和铺展状，类似神经元，而在铸型PEGDA中细胞存活不受支持。共聚焦z-stack显微镜证实了我们的假设，即硬到软的物质转变促进了神经元向第三维的迁移。不幸的是，也观察到大的细胞集合体。随后的细胞播种密度研究发现，播种密度在1万个/ cm2以上开始形成细胞集合体，低于1500个/ cm2的细胞在第6天仍以单细胞形式出现。结果表明，最佳的细胞接种密度为1500 - 5000cells / cm2，该水凝胶结构适合于设计更先进的三维微流控芯片脑机械传递模型。

近十几年来，水凝胶由于具有生物相容性、可降解性以及广泛可调的力学性能，在体外模拟三维( 3D )脑结构方面显示了巨大的潜力。为了更好地理解体外人脑模型和力学传导过程，我们根据我们在微型聚二甲基硅氧烷( PDMS )环中的经验，将光聚合明胶甲基丙烯酰基( GelMA )与聚丙烯酸乙二醇酯( PEGDA )相比较，制备了三维水凝胶模型。3D SH - SY5Y神经母细胞瘤细胞在GelMA中呈长条状、分枝状和铺展状，类似神经元，而在铸型PEGDA中细胞存活不受支持。共聚焦z-stack显微镜证实了我们的假设，即硬到软的物质转变促进了神经元向第三维的迁移。不幸的是，也观察到大的细胞集合体。随后的细胞播种密度研究发现，播种密度在1万个/ cm2以上开始形成细胞集合体，低于1500个/ cm2的细胞在第6天仍以单细胞形式出现。结果表明，最佳的细胞接种密度为1500 - 5000cells / cm2，该水凝胶结构适合于设计更先进的三维微流控芯片脑机械传递模型。

针对离子电路在离子电子学和可穿戴设备中的广泛应用，提出了一种在聚二甲基硅氧烷( PDMS )微芯片上制备水凝胶基离子电路的新方法。长时间的紫外/臭氧氧化结合适当的表面功能化和巯基-环氧点击反应的新型微芯片键合方法，使光聚合水凝胶牢固地附着在微通道表面，作为离子回路最终在电解质中运行。在PDMS微芯片上构建的可拉伸离子二极管即使在拉应力和长期存储稳定性下也表现出优越的整流比。此外，PDMS独特的材料特性和离子电路的结合使得我们可以最大限度地发挥离子电子器件的通用性和功能多样化，这在压力驱动离子开关和芯片集成离子调节器中得到了体现。它模拟兴奋性突触和抑制性突触的离子电子学信号传递也显示了水凝胶基离子电子学在PDMS微芯片上的潜力，该芯片正朝着水神经模拟信息处理器发展，同时为各种仿生应用开辟了新的机会。

聚二甲基硅氧烷( PDMS )是一种具有生物相容性的聚合物，在许多领域得到了应用。但是PDMS的表面疏水性会限制其成功实施，必须通过表面改性来降低其疏水性，以提高生物相容性。本研究采用水凝胶对PDMS表面进行改性，研究其对PDMS亲水性、细菌粘附性、细胞活力、免疫反应和生物相容性的影响。以透明质酸和明胶为原料，通过希夫碱反应制备水凝胶。采用核磁共振、X射线光电子能谱、衰减全反射傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜对PDMS表面和水凝胶进行了表征。水接触角的减小证实了表面的亲水性。铜绿假单胞菌( Pseudomonas aeruginosa )、棘球蚴( Ralstonia pickettii )和表皮葡萄球菌( Staphylococcus EGFR )均表现出细菌的抗粘附作用，并证实了人源脂肪干细胞的活性和分布的改善。在体内观察到包膜组织反应减少，胶原分布更疏松，水凝胶涂层表面细胞因子表达减少。在经过处理的PDMS上进行水凝胶涂层是一种很有前途的改善表面亲水性和生物相容性的方法，用于生物医学应用的表面改性。

聚二甲基硅氧烷( PDMS )是一种具有生物相容性的聚合物，在许多领域得到了应用。但是PDMS的表面疏水性会限制其成功实施，必须通过表面改性来降低其疏水性，以提高生物相容性。本研究采用水凝胶对PDMS表面进行改性，研究其对PDMS亲水性、细菌粘附性、细胞活力、免疫反应和生物相容性的影响。以透明质酸和明胶为原料，通过希夫碱反应制备水凝胶。采用核磁共振、X射线光电子能谱、衰减全反射傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜对PDMS表面和水凝胶进行了表征。水接触角的减小证实了表面的亲水性。铜绿假单胞菌( Pseudomonas aeruginosa )、棘球蚴( Ralstonia pickettii )和表皮葡萄球菌( Staphylococcus EGFR )均表现出细菌的抗粘附作用，并证实了人源脂肪干细胞的活性和分布的改善。在体内观察到包膜组织反应减少，胶原分布更疏松，水凝胶涂层表面细胞因子表达减少。在经过处理的PDMS上进行水凝胶涂层是一种很有前途的改善表面亲水性和生物相容性的方法，用于生物医学应用的表面改性。

微流控梯度生成器已被用于研究许多生物系统中细胞的迁移、生长和药物反应。一种装置将水凝胶和聚二甲基硅氧烷( PDMS )结合在一起，产生“无流动”梯度，然而，它们对负流或外部夹钳保持两层之间流体密封的要求限制了它们在更广泛的应用中的效用。本工作利用巯基-烯化学，研制了一种双层、无流动的微流控梯度发生器。采用碱催化迈克尔加成法，以市售单体为原料，在常温常压下合成了刚性巯基丙烯酸酯微流控树脂( TAMR )和扩散型巯基丙烯酸酯水凝胶( H )层。该装置由三个平行的微流控通道组成，负印迹在TAMR层上的巯基-丙烯酸酯水凝胶上，以促进化学品向流动方向的正交扩散。接触时，由于两层之间有很强的粘着作用，这两层形成了无任何外压的液密通道。实验(荧光显微镜)和计算( COMSOL )均证实了分子通过TAMR / H体系的扩散。本实验通过研究一株表达GFP的移动性大肠杆菌的化学排斥反应，将TAMR / H系统的性能与常规PDMS /琼脂糖装置具有相似几何结构进行比较。基于群体的分析证实了野生型和突变型大肠杆菌在两种微流控装置中都具有相似的迁移性响应。这证实TAMR / H混合系统是一种可行的替代传统PDMS微流控梯度发生器，可用于多个不同的应用。