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细胞与微纳米结构图案表面相互作用研究

作　者: 周雄图
导　师: 马学鸣；陈勇
学　校: 华东师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 微纳米图案微米 materials 纳米压印 AFM substrate morphology 细胞伸展 obtain observe surfaces image 形变 features diameter 细胞基质 patterned atomic imaging
分类号: Q24
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

基底材料的拓扑形貌是影响细胞行为的重要因素之一,细胞与微纳米结构图案表面相互作用研究在细胞生物学、再生医学和组织工程领域具有重要的意义。材料表面微纳米图案化不但可以提供结构模版,用以研究细胞对生长环境的响应特性,而且可以为组织再生用支架和植入性器件的设计提供基础数据。本论文首先联合光刻、纳米压印、软印刷等几种先进微纳米图案化技术在细胞基质表面制备出多种微纳米坑、微纳米沟槽以及微米/纳米混合结构用于细胞生长行为研究。同时,我们将软印刷技术直接应用于细胞,开发出一种新的细胞复制技术。利用光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜,对细胞复制品进行成像,不仅可以获得细胞上表面的高分辨结构信息,而且可以直接对细胞与基底的接触面进行观测,并对细胞在表面图案结构的形变进行定量分析。实验结果显示,细胞会根据材料基底表面的图案结构产生相应的形变,而且这种形变响应与图案几何形状、尺寸,细胞伸展和基底表面的黏附蛋白浓度有关。在一定范围内,图案越大、越深,细胞形变越大；细胞伸展面积越大,形变越小：黏附蛋白可以促进细胞伸展,从而使细胞形变减小。同时,HeLa癌细胞的形变比健康成纤维细胞的形变大。微米坑图案能够明显促进细胞在材料表面的黏附；微米沟槽图案则对细胞具有接触诱导效应,可以诱导细胞响应所生长的微纳米沟槽结构进行骨架重排,从而引起细胞取向行为变化。细胞的取向行为与细胞形变有紧密联系,一般情况下,细胞形变越大,取向性越明显。研究结果表明,可以通过表面的图案形状和尺寸对细胞取向行为进行调制,并在一定程度上影响细胞迁移。利用不同深度和间距的垂直交叉微米沟槽可以对细胞平均取向角度进行调制,这种取向调制对促进组织修复和再生将具有重要的作用。

全文目录

Abstract  6-7
摘要  7-8
Table of Contents  8-11
Outline  11-14
Chapter 1 Introduction  14-50
  1.1 Cell-substrate interactions  15-24
    1.1.1 Cell and cell cytoskeleton  15-17
    1.1.2 Extracellular matrix  17-19
    1.1.3 Cell-substrate interactions  19-23
    1.1.4 Cellular mechanics  23-24
  1.2 Cells on topographical patterns  24-36
    1.2.1 Cell spreading  25-27
    1.2.2 Motivation of topographical patterning  27-30
    1.2.3 Cell responses to topographical patterns  30-36
  1.3 Cell imaging methods  36-40
    1.3.1 Optical microscopy  37-38
    1.3.2 Scanning Electron Microscopy  38-39
    1.3.3 Atomic Force Microscopy  39-40
  1.4 Research objectives of this work  40-42
  References  42-50
Chapter 2 Topographical patterning  50-69
  2.1 Introduction  51
  2.2 UV photolithography  51-57
    2.2.1 Mask design and fabrication  53-54
    2.2.2 Photoresist  54-56
    2.2.3 Alignment and exposure  56-57
  2.3 Soft lithography  57-58
  2.4 UV nanoimprint lithography  58-61
    2.4.1 Master mould fabrication  59
    2.4.2 Soft mould fabrication  59-60
    2.4.3 Resist  60
    2.4.4 Imprinting process  60-61
  2.5 Fabrication of topographic patterns for cell culture studies  61-66
    2.5.1 Fabrication of micro-patterns  61-62
    2.5.2 Fabrication of nano-patterns  62-63
    2.5.3 Fabrication of hybrid structures  63-66
  2.6 Conclusions  66-67
  References  67-69
Chapter 3 AFM characterization  69-93
  3.1 Introduction on AFM  70-78
    3.1.1 Basic principles  71
    3.1.2 Imaging modes  71-77
    3.1.3 Micro-cantilevers and tips  77-78
  3.2 Characterizations of patterned substrates  78-88
    3.2.1 Topographical patterns  78-82
    3.2.2 Self assembled patterns  82-85
    3.2.3 Cell imaging and force measurement  85-88
  3.3 Conclusions  88-90
  References  90-93
Chapter 4 Cell imprinting and reversed imprinting  93-111
  4.1 Sample preparation  94-95
    4.1.1 Cell culture and seeding  94
    4.1.2 Chemical fixation and staining  94-95
    4.1.3 Dehydration and metal deposition  95
    4.1.4 Cell imaging and statistic analysis  95
  4.2 Cell imprinting  95-100
    4.2.1 Why cell imprinting?  95-96
    4.2.2 Cell imprinting technique  96-98
    4.2.3 Observation of cells on nano-grooves  98-100
  4.3 Reversed cell imprinting  100-108
    4.3.1 Why reversed cell imprinting?  100-101
    4.3.2 Reversed cell imprinting technique  101-103
    4.3.3 Observation of membrane deformation of cells  103-108
  4.4 Conclusions  108-109
  References  109-111
Chapter 5 Cells on micro-hole patterns  111-127
  5.1 Introduction  112-113
  5.2 Cell culture on micro-hole patterns  113-118
  5.3 Cell adhesion analysis  118-120
  5.4 Comparison between HeLa and NIH 3T3 cells  120-123
  5.5 Conclusions  123-125
  References  125-127
Chapter 6 Cells on micro-groove patterns  127-145
  6.1 Introduction  128-129
  6.2 Alignment of cell on micro-grooves  129-135
  6.3 Penetration depth versus alignment percentage  135-138
  6.4 Cells on zigzagging patterned grooves  138-140
  6.5 Comparison between HeLa and NIH 3T3 cells  140-142
  6.6 Conclusions  142-143
  References  143-145
Chapter 7 Cells on hybrid patterns  145-161
  7.1 Introduction  146
  7.2 Cell culture on hybrid patterns  146-149
  7.3 Influences of nano-textured patterns  149-151
  7.4 Cells on crossing micro-grooves  151-157
  7.5 Conclusions  157-159
  References  159-161
Summary and perspectives  161-165
Appendix:Fabrication of micro-cantilevers  165-182
  A.1 Introduction  166-167
  A.2 Fabrications of micro-cantilevers  167-170
    A.2.1 Fabrications of Si and SiO_2 micro-cantilevers  167-169
    A.2.2 Fabrication of SU8 micro-cantilevers  169-170
  A.3 Characterization  170-175
    A.3.1 Theory and simulation  171-173
    A.3.2 Characterizations  173-175
  A.4 Applications in gas sensor  175-178
  A.5 Conclusions  178-179
  References  179-182
Publications  182-183
List of Abbreviations  183-184
Acknowledgements  184-185

细胞与微纳米结构图案表面相互作用研究

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