（生物医学工程专业论文）微纳米结构材料的制备及其表面生物学效应的研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：蚣 日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：址导师签名： 日期：型竺：蔓：皇 目录 目录 目录i 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论。1 1 1 j ；i 言1 1 2 材料表面微纳米结构对蛋白质吸附的影响1 1 2 1 蛋白质与材料相互作用过程1 1 2 2 材料表面形貌对蛋白质吸附的影响2 1 2 3曲率对蛋白质吸附的影响3 1 2 4 表面粗糙度对蛋白质吸附的影响3 1 2 5 表面亲疏水性对蛋白质吸附的影响。4 1 3 材料表面微纳米结构对细胞行为的影响5 1 3 1材料表面形貌对细胞行为的影响5 1 3 2 材料表面能对细胞行为的影响8 1 3 3 材料表面吸附的蛋白质的形状、功能对细胞行为的影响9 1 3 4 材料表面微纳米结构对细胞生长接触引导的可能机制1 0 1 4 材料表面微纳米结构对血液相容性的影响一1 1 1 4 1 材料表面形貌对血液相容性的影响。1 1 1 4 2 材料表面蛋白质吸附对血液相容性的影响1 2 1 5 材料表面微纳米结构对免疫传感的影响1 2 1 6电流体力学技术的原理及应用13 1 - 7 存在的问题1 4 1 8 本论文的主要内容1 4 参考文献。1 5 第2 章不同形貌聚苯乙烯微纳米结构材料的制备及其对蛋白质吸附和细胞行为的影响2 0 2 1 前言。2 0 2 2 研究内容与方法2l 2 2 1 实验材料21 2 2 2 聚苯乙烯微纳米结构材料的制备与表征方法2 1 2 2 3 蛋白质吸附实验内容与方法。2 3 2 2 4 细胞粘附实验内容与方法2 4 2 3 结果与讨论。2 5 2 3 1 不同形貌及尺寸的聚苯乙烯微纳米结构材料表面蛋白质吸附的实验结果与讨论2 5 2 。3 2 不同形貌及尺寸聚苯乙烯微纳米结构材料表面细胞粘附的实验结果与讨论3 2 2 3 3 等离子处理后不同聚苯乙烯微纳米结构形貌材料表面细胞粘附实验结果与讨论4 2 2 4 本章小结4 9 参考文献。5 0 第3 章不同尺寸聚苯乙烯电纺纤维薄膜的制备及其对血液相容性和细胞行为的影响5 2 3 1 前言5 2 3 2 研究内容与方法5 2 3 2 1实验材料5 2 东南大学硕士学位论文 3 2 2 电纺纤维薄膜的制备与表征方法5 3 3 2 3 蛋白质吸附实验内容与方法5 3 3 2 4 血液相容性实验内容与方法。5 3 3 2 5 细胞粘附实验内容与方法5 4 3 3 结果与讨论5 4 3 3 1 不同尺寸聚苯乙烯电纺纤维薄膜表面血浆蛋白吸附的实验结果与讨论5 4 3 3 2 不同尺寸聚苯乙烯电纺纤维薄膜的血液相容性实验结果与讨论5 6 3 3 3 不同尺寸聚苯乙烯电纺纤维薄膜表面细胞粘附的实验结果与讨论6 l 3 3 4 等离子处理后不同尺寸聚苯乙烯电纺纤维薄膜表面蛋白质吸附实验结果与讨论6 2 3 4 本章小结6 6 参考文献6 7 第4 章 不同形貌聚苯乙烯微纳米结构材料的制备及其在免疫传感中的研究6 9 4 1 前言6 9 4 2 研究内容与方法6 9 4 2 1 实验材料6 9 4 2 2 聚苯乙烯微纳米结构材料的制备与表征方法6 9 4 2 3 蛋白质吸附实验内容与方法7 0 4 3 结果与讨论一7 0 4 3 1 不同形貌聚苯乙烯微纳米结构材料表面蛋白质吸附的实验结果与讨论7 0 4 3 2 不同尺寸聚苯乙烯电纺纤维薄膜表面蛋白质吸附的实验结果与讨论7 3 4 3 3 等离子处理后不同尺寸聚苯乙烯电纺纤维薄膜表面蛋白质吸附实验结果与讨论7 7 4 4 本章小结8 0 参考文献。8 l 第5 章总结与展望8 2 5 1 全文总结8 2 5 2 仓0 新点8 3 5 3 展望一8 5 硕士在读期间发表的论文。8 7 j 筻谢8 8 附录一8 9 i l 毕业论文题目：微纳米结构 学校名称：东南大学 硕士研究生姓名：曹娟 导师姓名：张继中副教授 蛋白质在材料表面吸附 疫传感器的性能而引起了人 因素并得到了一些有意义的 尺寸的蛋白质的作用存在差 然在一定程度上影响人们设 作基础上，以分子生物学研 不同微纳米结构的p s 薄膜，探讨不同形貌p s 微纳米结构材料及不同尺寸p s 电纺纤维薄膜与具有 形貌及尺寸差异的血浆蛋白质( 白蛋白a l b 、纤维蛋白原f i b 和免疫球蛋白i g g ) 的相互作用，评估 了p s 微纳米结构材料对细胞行为的影响、其血液相容性及其在免疫传感中的应用，并取得了一些有 意义的结果。 ( 1 ) 本论文第一部分研究了3 种不同形貌p s 微纳米结构材料( 1 6 8 士0 3 8 1 u n 微球薄膜、 1 5 5 3 士1 8 2 n m 纤维薄膜、匀胶薄膜) 和3 种不同尺寸( 纤维直径5 5 2 - - l 3 6 n m 、9 8 1 4 - 9 9 n m 、 1 5 5 3 士1 8 2 n m ) 的p s 电纺纤维薄膜对3 种形貌、尺寸存在差异的血浆蛋白质( a l b 、f i b 和i g g ) 吸附的影响，结果表明球形的免疫球蛋白更倾向于在微球结构表面吸附，而纤维状纤维蛋白 原更倾向于在纤维结构表面吸附。进一步的细胞实验表明，骨髓间充质干细胞( m s c s ) 在 p s 纤维薄膜表面的粘附及增殖率明显优于p s 微球结构表面。表明材料形貌与能够介导细胞 在材料表面粘附及增殖的蛋白( 如纤维状的胶原蛋白或者纤维粘连蛋白等) 形貌的匹配可能 更有利于细胞在材料表面的生长。此外，骨髓间充质干细胞( m s c s ) 在微纳米结构材料表 面的生长状况也表现出了明显的尺寸效应：在p s 纤维直径小于1 0 0 0 n m 时纤维薄膜表面细 胞数量随纤维直径的减小而增多，而在纤维直径1 0 0 0 n m 左右时其表面细胞生长的状况最差。 通过氧等离子处理改进材料亲疏水性能后可以发现对不同形貌p s 微纳米结构材料而言其表 面细胞的粘附及增殖率均大大提升，且p s 纤维薄膜较之p s 微球结构薄膜仍显示出更有利于 细胞生长的特性。提示表面亲疏水性能适宜的电纺纤维材料可能可作为一种性能优良的包括 组织工程支架在内的生物修复材料。 ( 2 ) 在心血管修复材料中目前人们公认的一个改进体系血液相容性的方法是材料表面的伪内膜 化。然而在伪内膜化过程中抑制可导致血栓的血浆蛋白及血细胞的粘附与促进内皮细胞在材 料表面的粘附生长却是一对至今没有很好解决的矛盾。而材料形貌、尺寸与相关蛋白形貌、 尺寸匹配性的差异则有可能为解决该矛盾提供新的思路，为此本论文第二部分研究了3 种不 同尺寸的p s 电纺纤维薄膜的血液相容性( 凝血时间、血小板粘附和红细胞溶血) 和细胞相 容性。结果表明在5 5 2 - a ：3 6 n mp s 电纺纤维上能反映材料抗凝血性能的a l b 与f i b 的吸附量比 例r 斛和a l b 与i g g 的吸附量比例l 较之直径为9 8 1 士9 9 n m 及1 5 5 3 士1 8 2 n m 的p s 电纺纤 维高，即较细的p s 电纺纤维具有较优的抗凝血性能。凝血时间结果进一步证实了上述结果： 5 5 2 a ：3 6 n m p s 电纺纤维引发的凝血时间最长( 3 2 m i n ) ，与正常值( 3 6 m i n ) 接近；血小板粘 附实验结果表明5 5 2 a ：3 6 n mp s 电纺纤维上血小板粘附较之较粗的电纺纤维不仅数量少而且 i 东南大学硕士学位论文 变形程度低；而红细胞溶血实验则提示3 种不同尺寸的p s 电纺纤维薄膜的红细胞溶血率 ( 1 6 0 ，1 7 3 ，3 1 9 ) 均在标准范围( 5 ) 内，因此在3 种不同尺寸的p s 电纺纤维薄 膜中5 5 2 士3 6 n mp s 电纺纤维具有较优的血液相容性。结合5 0 0 n m 左右较细p s 电纺纤维具有 较优的细胞相容性的特点人们可以发现在心血管修复材料中长久悬而未决的血液相容性与 细胞相容性的矛盾可能有望通过选择电纺纳米纤维而获得解决，这将为心血管与组织工程材 料的应用设计提供更多的研究思路。 ( 3 ) 在免疫传感器中免疫球蛋白在材料表面高的负载量及高的生物活性是其应用中面临的最大 障碍。而微纳米结构材料由于其高的比表面积而在免疫传感领域受到高度重视。然而能够应 用于免疫传感的量产微纳米结构材料制备技术及微纳米结构材料与免疫球蛋白间的相互作 用的优化设计方面人们还有很长的路要走。为此，本论文第三部分研究了人免疫球蛋白i g g 在3 种不同形貌p s 微纳米结构材料( 1 6 8 ：- 0 3 8 p m 微球薄膜、1 5 5 3 + 1 8 2 n m 纤维薄膜、匀胶 薄膜) 和3 种不同尺寸的p s 电纺纤维薄膜上( 4 8 0 6 1 0 n m 、7 9 0 1 0 8 0 n m 和1 3 8 0 1 7 3 0 n m ) 的作用状况，发现p s 多孔微球和p s 纤维薄膜由于比表面积较大，均能够有效吸附大量的 i g g 且在不同尺寸的p s 电纺纤维薄膜上i g g 的吸附量随纤维直径的增大而增多，但i g g 吸附活性却随纤维直径的增大而减小( 8 9 6 ，5 6 5 ，3 7 0 ) 。为改进p s 电纺纤维在免疫 传感中应用的性能，我们对其进行了氧等离子处理。进一步的测试表明，氧等离子处理的 p s 电纺纤维薄膜不仅具有较高i g g 吸附量，而且所吸附的i g g 保持了较高的生物活性 ( 1 0 1 3 ，1 0 4 0 ，1 0 2 3 ) ，这为免疫传感的发展提供了有用的实验依据。 关键词：微纳米结构，蛋白质吸附，血液相容性，细胞粘附，免疫传感 i i 摘要 a b s t r a c t t h e s i s ：p r e p a r a t i o no f m i c r o n a n os c a l es t l l j c t u r em a t e r i a l sa n d t h es t u d yo f t h e i rs u r f a c eb i o l o g i c a l e f f e c t s i n s t i t u t i o n ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y g r a d u 汀e ：c a oj u a n m e n t o r ：z h a n gj i z h o n g ；l ox i a o y i n g t h et y p e ，s p e e d ，a m o u n ta n da c t i v i t yo fp r o t e i n sa d s o r b e do nt h es u r f a c eo fm a t e r i a lh a da t t r a c t e d m u c ha t t e n t i o nd u r i n gp a s td e c a d e s b e c a u s et h e yc o u l da f r e c tt h eb i o c o m p a t i b i l i t yo fb i o m a t e r i a l sa n dt h e p e r f o r m a n c eo fi m m u n o s e n s o r t h u sav a r i e t yo ff a c t o r st h a tc a ni n f l u e n c et h ei n t e r a c t i o no fp r o t e i nw i t h m a t e r i a l sh a db e e ne x p l o r e da n ds o m ei n t e r e s t i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d h o w e v e rd e s p i t et h ed i f f e r e n c eo f t h ei n t e r a c t i o nf o rp r o t e i n so fd i f f e r e n tm o r p h o l o g ya n ds i z ew i t hv a r i e dm a t e r i a li nm o r p h o l o g ya n ds i z e h a db e e nf o u n da n ds o m e t i m e st h ef u n c t i o no ft h e s em a t e r i a l sm i g h tb ei n f l u e n c e d t h el a c ko fs y s t e m i c w o r ka n dt h eu n c l e a ro ft h em e c h a n i s mm a k ei td i f f i c u l tt od e s i g nh i g h - p e r f o r m a n c eb i o m a t e r i a la n d b i o s e n s o r s s oi nt h i sd i s s e r t a t i o nd i f f e r e n tm i c r o - n a n os c a l es t r u c t u r ep o l y s t y r e n e ，ah y d r o p h o b i em o d e l p o l y m e r , f i l mw e r ep r e p a r e dv i ae l e c t r o h y d r o d y n a m i cm e t h o db a s e do no u rp r e v i o u sw o r k t h ei n t e r a c t i o n s o ft h r e ek i n d so fb l o o dp r o t e i n s ，( a l b ，f i b ，i g g ) w h i c hd i f f e r e d i nm o r p h o l o g ya n ds i z e ，w i t ht h e s e m o r p h o l o g ya n ds i z ev a r i e dm i c r o - n a n os c a l es t r u c t u r e dp sf i l mw e r es t u d i e d 1 1 h ec e l lr e s p o n s e 。b l o o d c o m p a t i b i l i t ya n di m m u n es e n s i n ga p p l i c a t i o no ft h e s ep sm i c r o - n a n os c a l es t r u c t u r ef i l m sw e r ea l s o e v a l u a t e da n ds o m ei n t e r e s t i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ( 1 ) t h ef l r s tp a r to f t h i sd i s s e r t a t i o ni n v o l v e dt h es t u d yo f t h ei n t e r a c t i o no f t h r e ek i n d so f b l o o dp r o t e i n s ( a l b ，f i b ，i g g ) w i t hm o r p h o l o g yv a r i e d t h r e ep sm i c r o n a n os c a l es 仃u c t u r ef i l m s ( 1 6 84 - 0 3 8 w a m i c r o s p h e r e sf i l m ，15 5 3 18 2 r i mf i b e rf i l m ，s p i n - c o a t i n gf i l m ) a n ds i z ev a r i e dt h r e ep sf i b e rf i l m s ( 5 5 2 3 6 n m 、9 81 9 9 r i m 、l5 5 3 18 2 n m ) o u rr e s u l t ss h o w e dt h a ts p h e r i c a li g ga d s o r b e dm o r eo nt h e m i c r o s p h e r e sf i l ma n df i b r o u sf i ba d s o r b e dm o r eo nt h ef i b e rf i l m m o r e o v e r , o u re e l lc u l t u r er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tm a r r o wm e s e n c h y m a ls t e mc e l l so v t s c s ) a d h e r e dm o r et op sf i b e rf i l m st h a nt op s m i c r o s p h e r e sf i l m t h e s es u g g e s t e dt h a tt h em o r p h o l o g ym a t c h i n go fm a t e r i a la n dp r o t e i nm a yp l a ys o m e r o l ei nt h eb e h a v i o ro fe e l lo nt h es u r f a c eo fm a t e r i a l f u t h e r m o r e t h eg r o w t ho fm s c so nt h e s ep s m i c r o - n a n os c a l es 1 n l c t 山- ef i l m se x h i b i t e do b v i o u ss i z ee f f e c t t h ep r o l i f e r a t i o nr a t eo fc e l l so nt h e s ep s 6 b e rf i l m sd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gf i b e rd i a m e t e rw h e nf i b e td i a m e t e r sw e r ea l ll e s st h a n10 0 0 n m o x y g e np l a s m at r e a t m e n ti m p r o v e dt h ew e t t i b i l i t yo ft h e s ef i l m sa n dt h e ne e l la d h e s i o na n dp r o l i f e r a t i o n r a t ew e r eg r e a t l ye n h a n c e do na l lo x y g e np l a s m at r e a t e dp sm i c r o - n a n os c a l es t r u c t i | r ef i l m s a m o n gt h e m p sf i b e rf i l mw a ss t i l lm o r es u i t a b l ef o rt h eg r o w t ho fc e l l st h a n 也o p s m i c r o s p h e r e sf i l m t h e s er e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a te l e c t r o s p i n n i n gf i b e r sw i t ha p p r o p r i a t es i z ea n dw e t t i b i l i t yc o u l db eg o o dc a n d i d a t eo f b i o m e d i c a lr e p a i rm a t e r i a l s ( 2 ) e n d o t h e l i a l i z a t i o ns u r f a c eh a sb e e nw e l la c c e p t e da sa ne f f e c t u a lm e t h o dt oi m p r o v et h eb l o o d c o m p a t i b i l i t yo fc a r d i o v a s c u l a rr e p a i rm a t e r i a l h o w e v e ri ti ss t i l ln e e dt or e s o l v et h ec o n f l i c to fi n h i b i t i n g a d h e s i o no fb l o o dp r o t e i na n db l o o dc e l lt h a tc a ni n d u c eb l o o dc o a g u l a t i o na n dp r o m o t i n gt h ea t t a c h m e n t o fe n d o t h e l i a lc e l l sf o re n d o t h e l i a l i z a t i o np r o c e s s a n dt h ed i f f e r e n c ei nt h em a t c h i n go ft h em a t e r i a lw i t h d i f f e r e n tm o r p h o l o g ya n ds i z et ot h ep r o t e i n sv a r i e di nm o r p h o l o g ya n ds i z em a yh i g h l i g h tn e wi d e a st o i 东南大学硕士学位论文 r e s o l v et h ec o n t r a d i c t i o n t h u st h eb l o o dc o m p a t i b i l i t y ( c l o t t i n gt i m e ，p l a t e l e ta d h e s i o n ，h e m o l y s i s ) a n dc e l l c o m p a t i b i l i t yf o rp se l e c t r o s p i n n i n gf i b e r sw i t hd i f f e r e n tm e a nd i a m e t e rw e r es t u d i e di nt h es e c o n ds e c t i o n o u rr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d s o r p t i o nr a t i oo fa l bt of i b ( r a ，f ) a n da l bt oi g g ( r a n ) w h i c hc o u l dr e f l e c t t h ea n t i c o a g u l a n tp r o p e r t i e so fm a t e r i a l sw a sh i g h e rf o r5 5 24 - 3 6 n mp sf i b e rf i l mt h a nt h o s ef o r9 81 9 9 n ma n dl5 5 3 18 2 n mp sf i b e rf i l m s t h a tw a st os a yf i b e rf i l m sw i t hs m a l l e rf i b e rd i a m e t e rh a db e t t e r a n t i c o a g u l a n tp r o p e r t i e s c l o t t i n gt i m e e x p e r i m e n te x h i b i t e ds i m i l a rr e s u l t s ：t h ec l o t t i n gt i m ef o rt h e5 5 2 3 6 n mp sf i b e rf i l mw a st h el o n g e s to n e ( 3 2 m i n ) a n dc o u l dc o m p a r ew i t ht h er e f e r e n c et i m e ( 3 6 m i n ) m o r e o v e r , m i n i m u ma m o u n ta n dl o w e s td e f o r m a t i o no fp l a t e l e ta d h e s i o no n5 5 24 - 3 6 n mp sf i b e rf i l m c o u l db ef o u n dc o m p a r e dw i t ht h o s eo nt h i c k e rp sf i b e r s a st ot h eh e m o l y s i se x p e d m e n lt h er a t e sf o ra l l t h r e ep sf i b e rf i l m sw e r ew i t h i ns t a n d a r dr a n g e s oi tw a s5 5 2 - - e 3 6 n mp sf i b e rf i l m t h es m a l l e s to n ei n t h e m ，e x h i b i t e dt h eb e s tb l o o dc o m p a t i b i l i t ya m o n ga b o v ep sf i b e rf i l m s t h i sc o m b i n e dt h ee e l lc u l t u r e r e s u l t st h a tt h es m a l l e s tp sf i b e rh e l dt h eb e s tc e l lc o m p a t i b i l i t yo f f e r i n gn e ws t r a t e g yt or e s o l v et h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nb l o o dc o m p a t i b i l i t ya n dc e l lc o m p a t i b i l i t yi nc a r d i o v a s c u l a rr e p a i rm a t e r i a l su s i n g p r o p e rn a n o f i b e rm a t e r i a l t l l i ss h o u l dp r o v i d em o r er e s e a r c hi d e a sf o rt h ed e s i g no fm a t e r i a l si n c a r d i o v a s c u l a rr e p a i ra n dt i s s u ee n g i n e e r i n g ( 3 ) t h eb i g g e s to b s t a c l ei nt h ea p p l i c a t i o no fi m m u n o s e n s o rw a st om a i n t a i nh i 【g hl o a dc a p a c i t ya n dh i g h b i o l o g i c a la c t i v i t yo nt h es u r f a c eo fm a t e r i a la tt h es a m et i m e a n dm i c r o n a n os c a l es t r u c t u r em a t e r i a l sh a d a t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o ni nt h ef i e l do fi m m u n o s e n s o rd u et ot h e i rh i g hs u r f a c ea r e a h o w e v e r t h e r ew e r e s t i l lal o n gw a yt og oi nm a s sp r o d u c t i o no f m i c r o - n a n os c a l es t r u c t u r em a t e r i a l st h a ti ss u i t a b l ef o ri m m u n e a s s a ya n do p t i m i z i n gt h ed e s i g n a t i o no ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm a t e r i a l sa n di g gs oi nt h et 陆r dp a r to f t h i sd i s s e r t a t i o nt h ei n t e r a c t i o no fi g gw i t hm o r p h o l o g yv a r i e dt h r e ep sm i c r o - n a n os c a l es t r u c t u r e f i l m s ( 1 6 8 4 - 0 3 8 p mm i c r o s p h e r e sf i l m ，1 5 5 3 4 - 1 8 2 n mf i b e rf i l m ，s p i n - c o a t i n gf i l m ) a n ds i z ev a r i e dt h r e e p sf i b e rf i l m s ( 4 8 0 6 1 0 n m ，7 9 0 - 1 0 8 0 n m ，1 3 8 0 1 7 3 0 h m ) w e r es t u d i e d o u rr e s u l t ss h o w e dt h a tb o t hp s p o r o u sm i c r o s p h e r e sa n dp sf i b e rf i l m sc o u l da d s o r bg r e a ta m o u n to fi g gd u et ot h e i rh i g i is u r f a c ea r e a a n dt h ea d s o r p t i o na m o u n to fi g go np sf i b e rf i l m si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ff i b e rd i a m e t e rw h i l e t h ea d s o r p t i o na c t i v i t y ( 8 9 6 ，5 6 5 ，3 7 0 ) d e c r e a s e df o rt h e s et h r e ep sf i b e rf i l m s m o r e o v e ra f i e r o x y g e n p l a s m at r e a t i n g , b o t ht h ea d s o r p t i o na m o u n ta n dt h eb i o a c t i v i t y ( 10 13 ，10 4 0 ，10 2 3 ) o f i m m u n g l o b i nf o ra l lt h r e ep sf i b e rf i l m sc o u l db ei m p r o v e d t h i sp r o v i d e dau s e f u le x p e r i m e n t a le v i d e n c e f o rt h ed e v e l o p m e n to f i m m u n o s e n s o r k e y w o r d s ：m i c r o - n a n os c a l es t r u c t u r e ；p r o t e i na d s o r p t i o n ；b l o o dc o m p a t i b i l i t y ；c e l la d h e s i o n ； i m m u n o s e n s o r w 1 1 随着人们认识世界的深入，人们的视线逐渐从宏观世界向微观世界转移，材料表面结构的尺寸 也向微纳米级延伸。所谓微纳米结构是指以微米和纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或 营造的一种体系。微纳米结构材料，尤其是纳米结构材料，由于具有很大的比表面积、很高的表面 活性及许多大块材料所不具备的特殊的光、电、磁、热力学特性、表面与界面效应、量子尺寸效应 及小尺寸效应等优异性能而引起了人们的高度关注。 自然生物体系中就存在各式各样的微纳米结构材料，并通过赋予了其特殊的性能而使其适应各 自的生存环境。例如，在自然界荷叶及水稻叶表面纳米级绒毛和微米级小球构成的微纳米结构，使 其表面具有超疏水性能及自清洁效应；孔雀羽毛及蝴蝶翅膀所具有的规则排列复合微纳米结构则赋 予其美丽的色彩等。生物体内的细胞、血管内壁等表面也存在各种各样的微纳米结构，它们对生物 系统的正常运转起重要作用。如生物体内淋巴t 细胞表面有很多纳米级的绒毛突起，当与病毒相互 作用时，这些突起会发生相应的变化，在生物体免疫应答中起着关键性的作用。但材料表面微纳米 结构的很多生物学效应如细胞的接触诱导效应、材料的组织诱导效应机制尚不清楚并有待人们进一 步研究探讨。生物体内( 如血管内壁等) 许多与蛋白质直接接触表面的特殊微纳米结构与其生物相容 性的关系也有待人们深入研究。众所周知，当生物材料与生理环境接触时，很多生理反应是通过蛋 白质层介导的，即蛋白质与微纳米结构材料的相互作用，但其作用机制尚不清楚。蛋白质芯片、微 流控装置、免疫传感器件等的表面微纳米结构与蛋白相互作用的影响因素也是改善生物医学检测需 要考察的的关键因素之一。因此，蛋白质在具有微纳米结构表面的吸附行为值得深入考察和研究。 1 2 材料表面微纳米结构对蛋白质吸附的影响 随着再生医学和组织工程技术的发展，生物材料的生物相容性受到了前所未有的重视。生物相 容性是生物医用材料的关键性能。材料生物相容性的好坏主要取决于材料表面与生物环境的一系列 生理反应，而蛋白质在材料表面的吸附是其中的首要过程，所形成的蛋白质吸附层结构和组成决定 着后续反应的类型和程度。生物材料表面所吸附蛋白质的种类、吸附速度、吸附量以及空间构象等 都直接影响材料的细胞相容性。而血浆蛋白质的选择吸附，还反映了生物材料的血液相容性。此外， 血栓形成与溶血、软硬组织的愈合、感染和无菌性炎症都与蛋白质的吸附有关。鉴于蛋白质在生命 活动中的重要作用，研究蛋白质微纳米结构生物材料表面的吸附行为对于提高材料的生物相容性具 有至关重要的作用。 1 2 1 蛋白质与材料相互作用过程 在绝大多数情况下，细胞与生物材料表面之间的相互作用并不是直接进行的。当生物材料与生 理环境相接触时，首先到达生物材料表面的是水分子和无机盐离子，其次是体液、血液或培养基中 的蛋白质分子，最后才是细胞到达材料表面。因此在材料表面与细胞之间通常存在吸附的蛋白质层， l 东南大学硕士学位论文 细胞通过蛋白质层的介导而附着、黏附进而铺展到材料表面川。蛋白质在材料表面的吸附是继水和 无机盐离子吸附后在几秒钟内发生的。蛋白质吸附到固体表面分为3 个步骤：蛋白向表面靠近，蛋 白与表面接触，蛋白吸附发生构象变化。 蛋白质的黏附并不是静态的过程【l j ，因为黏附蛋白可随时间的延长而发生构象变化，并可被溶 液中的其他物质所置换。血浆体系或多组分蛋白溶液中黏附蛋白的组成也是时间依赖性的，即 v r o m a n 效应。v r o m a n 和a d a m s 发现蛋白质在玻璃表面的吸附呈先后次序。在玻璃与血浆接触2 s 时，可检测到纤维蛋白原，而在2 5 s 后则检测不到。椭圆偏振测量表明蛋白质层的厚度并没有变化， 其原因是纤维蛋白原被亲和性更强的其他蛋白所取代，即发生吸附蛋白置换的结果。在吸附过程初 期，纤维蛋白原由于浓度较高而优先占据材料的表面。随着时间的推移，吸附的纤维蛋白原被浓度 较低但亲和性能更强的高分子量激肽原所取代，因而纤维蛋白原含量降低，但蛋白质层的厚度则保 持不变。 1 2 2 材料表面形貌对蛋白质吸附的影响 1 ) 椎体型 r