静电纺丝纳米纤维微图案化的构建及其与细胞的相互作用研究

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细胞与材料之间的相互作用及其内在分子机制是组织工程和再生医学领域最基础的科学问题。过去的研究表明,细胞的行为同时受到材料自身诸多因素的共同作用,因而较难界定其中某一特定因素对细胞行为的影响程度。近几年新出现的微图案化技术提供了一种精确调控材料表面化学组成、拓扑结构和力学性能的方法。通过该技术,人们可以从微观结构上模仿细胞外基质和微环境,进而研究材料的某一特性对细胞行为如黏附、增殖、迁移、分化和凋亡等的作用机制。静电纺丝作为一种操作简便且迄今为止唯一能连续获得纳米纤维的方法,在众多领域均有较广泛的应用。由于静电纺丝所制备的纳米纤维具有较大的比表面积,并呈现出与细胞外基质相类似的纤维状结构,使用生物相容性材料进行静电纺丝来制备支架材料是当前组织工程和再生医学中最常见的材料制备手段之一。本工作结合微加工技术和静电纺丝成功构建了微图案化的静电纺丝纳米纤维,通过静电纺丝改变纳米纤维的组成和取向,通过微加工方法改变微图案的形状和大小,制备了一系列微米和纳米尺度结构和性质可调的材料,并初步研究了细胞对上述材料的响应。本论文的主要工作和结论如下:(1)采用经典的静电纺丝工艺成功的上获得了有取向和无取向的聚己内酯(PCL)和聚乳酸(PLLA)的纳米纤维,同时通过软光刻技术制备了表面具有微图案化结构的琼脂印章。将琼脂印章浸泡于相应的溶剂中后与纳米纤维接触,成功的构建了图案化的PCL纳米纤维和PLLA纳米纤维,在此后基础上,进一步通过多次静电纺丝和印章刻蚀得到了更为复杂的微纳米图案化结构。(2)采用荧光染色及能谱分析等手段比较了微图案化的PCL和PLLA纳米纤维,发现图案化PCL纳米纤维是接触琼脂区域成膜,未接触琼脂区域纺丝有部分溶并;而图案化PLLA纳米纤维是接触琼脂区域纺丝脱落,未接触琼脂区域纺丝保留完好。为了探究这两种不同图案的形成机理,我们进一步比较了刻蚀剂(有机溶剂)在两种不同纤维上的扩散速度,实验结果表明正是因为刻蚀剂在PLLA纳米纤维上扩散慢而在PCL纳米纤维上扩散快,,导致了PCL纺丝出现溶并现象而PLLA纺丝保留完好,而琼脂印章中刻蚀剂浓度的不同也导致了接触琼脂表面的PLLA纺丝成膜后进一步脱落而PCL纺丝成膜后依旧留在玻璃片上。对于PLLA中脱落的纺丝膜是进入琼脂内部还是残留在琼脂表面我们同样进行了荧光验证,发现琼脂上PLLA引起的荧光只是分布在接触纺丝的图案区域,说明了PLLA并未进入琼脂内部。(3)对两种图案化材料进行了细胞学的初步表征,结果表明:在纳米尺度上,细胞受到取向纳米纺丝的作用,会沿着纺丝方向生长,而在膜区域或者玻璃区域则呈现出杂乱无章的取向和生长;在微米尺度上,通过控制两种区域的大小和位置,在微图案化的特定区域可以出现特定的细胞生长情况,这体现了材料表面的微纳米结构对于细胞的影响,也为日后的组织工程支架的设计提供了思路和方法。
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