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聚合物化学性质和表面拓扑结构对内皮细胞黏附的影响

作　者: 郑军
导　师: 陈红
学　校: 武汉理工大学
专　业: 生物材料学
关键词: 聚合物化学性质拓扑结构内皮细胞黏附蛋白质吸附
分类号: R318.08
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

生物相容性是生物材料区别于其它材料的重要性质,它取决于材料与生物系统的相互作用。当生物材料应用于生物体内时,蛋白质就首先在材料的表面上发生吸附,随后细胞膜上的整联蛋白等受体会与材料表面吸附的蛋白质发生相互作用,实现细胞在材料表面的黏附与繁殖等行为。材料化学性质和表面拓扑结构是影响材料表面蛋白质吸附和细胞黏附、迁移、繁殖、分泌和基因表达等行为的两个重要影响因素。因此,研究材料化学性质和表面拓扑结构对蛋白质吸附和细胞黏附的影响对于生物材料的设计有着重要的指导意义。血管内皮细胞存在于整个循环系统中,是组成血管的主要细胞类型之一由于内皮细胞具有能够控制血管的收缩与舒张、调节血液的凝结、调节平滑肌和控制白细胞进出血管壁等功能,因此材料表面上内皮细胞黏附与繁殖的研究受到了广泛的关注。在本论文工作中,系统研究了聚合物材料化学性质和表面拓扑结构对血浆蛋白质吸附及血管内皮细胞黏附的影响,并尝试在模型基材表面修饰不同化学性质的聚合物的方式来构筑血管内皮细胞选择性黏附表面。其主要内容如下：1.在聚合物化学性质对血浆蛋白质吸附和内皮细胞黏附影响的研究中,选用了3-羟基丁酸和3-羟基己酸的共聚酯(PHBHHx)和聚氨酯(PU)两种化学性质不同的聚合物材料,并制备了PHBHHx和PU的平整表面。首先通过同位素标记蛋白吸附实验研究了在缓冲液中单一蛋白质的吸附和在血浆中蛋白质的竞争吸附,结果表明单一蛋白质在PHBHHx和PU表面的吸附基本相同,而在不同浓度的血浆中,虽然PHBHHx和PU表面上纤维蛋白原(飑)吸附量的变化十分相近,但是人血清白蛋白(HSA)在两种材料表面的吸附情况却不相同,这表明PHBHHx和PU两种材料的化学性质能对蛋白质的竞争吸附产生影响。蛋白免疫印迹及酶联免疫吸附测试(ELISA)的实验结果表明,多数血浆蛋白在PHBHHx和PU表面的吸附隋况相近,但是相比于PU,PHBHHx更易吸附凝血相关蛋白(凝血因子XI和凝血酶原)和因子B,而抗凝血相关蛋白(蛋白S)却吸附较少。所以相比于PU,PHBHHx的化学性质更易促进血液的凝结和引起炎症反应,具有作为创伤修复和止血材料的潜在应用,这表明蛋白质在材料表面吸附的结果会最终影响到材料的生物学性能。细胞黏附相关蛋白质(纤连蛋白和玻连蛋白)在PHBHHx和PU表面吸附量相近,且PHBHHx与PU一样利于内皮细胞的黏附。这表明化学性质不同的材料表面上,细胞黏附相关蛋白质的吸附相近时,内皮细胞黏附的情况也相近,说明细胞黏附相关蛋白质吸附在内皮细胞的黏附过程中起到重要的作用。本章的研究为深入认识并充分发挥PHBHHx和PU的生物学性能提供理论指导,具有实际应用价值。2.在聚合物表面拓扑结构对蛋白质吸附和内皮细胞黏附影响的研究中,我们以天然荷叶表面为模板,通过复制模塑的方法制备了PU、PU共混pluronic(PU/P)和PHBHHx三种不同化学性质的仿生荷叶表面。表面浸润性分析发现微米级仿生荷叶拓扑结构的引入能够显著改变材料表面的浸润性,大大提高PU和PHBHHx表面的疏水性和PU/P表面的亲水性。蛋白质吸附实验表明材料化学性质和表面拓扑结构能够影响蛋白质的吸附,且在它们的协同作用下,使得材料表面具有更加良好的排斥非特异性蛋白质吸附的能力。细胞实验的结果表明,内皮细胞和成纤维细胞在仿生荷叶表面上的生长繁殖均受到一定程度的抑制。虽然仿生荷叶表面细胞外基质蛋白质(纤连蛋白和玻连蛋白)吸附量较平面高,但较高的蛋白质吸附并没有促进细胞的黏附与繁殖,这充分表明细胞在其繁殖的过程中主要受到仿生荷叶拓扑结构的影响。相比于成纤维细胞,仿生荷叶拓扑结构更易限制内皮细胞的繁殖。本章为进一步深入认识蛋白质、细胞和材料表面拓扑结构之间的相互作用关系提供理论指导,具有潜在的应用前景。3.在内皮细胞选择性黏附表面的研究中,通过表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)的方法在硅片表面接枝了甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯的嵌段共聚物刷(POEGMA-b-PGMA),利用PGMA链段中的活性环氧基团开环的方式将内皮细胞特异性多肽GREDVY修饰到表面。静态水接触角、接枝层厚度、表面化学组成以及表面形貌的测试结果证明了各步接枝反应的成功性。细胞黏附实验表明,修饰了GREDVY的嵌段共聚物(POEGMA-b-PGMA)能够有效的排斥成纤维细胞的非特异性黏附,同时促进了内皮细胞的特异性黏附,即这种化学性质的表面实现了对内皮细胞的选择性黏附。该研究提供了一种有效的可实现内皮细胞选择性黏附的材料表面改性方法。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-36
  1.1 生物材料表界面  13-14
    1.1.1 生物材料表界面与生物相容性  13-14
    1.1.2 生物相容性与蛋白和细胞  14
  1.2 材料表面与蛋白质吸附  14-20
    1.2.1 蛋白质的吸附与生物材料  14-15
    1.2.2 蛋白质的吸附模型  15-16
    1.2.3 蛋白质吸附的影响因素  16-18
    1.2.4 蛋白质吸附的检测手段  18-20
  1.3 材料化学性质对细胞黏附的影响  20-25
    1.3.1 抑制细胞黏附  20-21
    1.3.2 促进细胞黏附  21-22
    1.3.3 细胞的选择性黏附  22-25
  1.4 材料表面拓扑结构对细胞黏附的影响  25-33
    1.4.1 表面拓扑结构与细胞黏附  26-30
    1.4.2 拓扑结构常用制备方法  30-32
    1.4.3 天然拓扑结构  32-33
  1.5 课题的提出  33-36
    1.5.1 研究的意义与目的  33-34
    1.5.2 研究的内容与方案  34-36
第2章聚合物化学性质对蛋白质吸附和内皮细胞黏附的影响  36-72
  2.1 引言  36-37
  2.2 实验部分  37-48
    2.2.1 材料与试剂  37-38
    2.2.2 PHBHHx和PU表面的制备  38-39
    2.2.3 表面性质表征  39-40
    2.2.4 同位素标记蛋白质吸附测试  40-42
    2.2.5 蛋白质吸附和洗脱测试  42-44
    2.2.6 酶联免疫吸附测定  44-45
    2.2.7 血浆复钙化时间测试  45-46
    2.2.8 蛋白质吸附动力学测试  46-48
    2.2.9 内皮细胞黏附实验  48
  2.3 结果与讨论  48-70
    2.3.1 表面性质表征  48-49
    2.3.2 血浆蛋白质吸附测试  49-58
    2.3.3 蛋白质吸附动力学  58-68
    2.3.4 内皮细胞黏附  68-70
  2.4 本章小结  70-72
第3章仿生荷叶拓扑结构对蛋白质吸附和内皮细胞黏附及繁殖的影响  72-97
  3.1 引言  72-73
  3.2 实验部分  73-82
    3.2.1 材料与试剂  73
    3.2.2 PHBHHx和PU表面的制备  73-76
    3.2.3 表面性质的表征  76-78
    3.2.4 同位素标记蛋白质吸附测试  78-79
    3.2.5 培养液中纤连蛋白和玻连蛋白的吸附  79
    3.2.6 细胞黏附及繁殖实验  79-82
  3.3 结果与讨论  82-95
    3.3.1 表面性质表征  82-87
    3.3.2 缓冲液中纤维蛋白原的吸附  87-88
    3.3.3 培养液中白蛋白的吸附  88-89
    3.3.4 培养液中纤连蛋白和玻连蛋白的吸附  89-90
    3.3.5 细胞黏附与繁殖  90-95
  3.4 本章小结  95-97
第4章选择性黏附内皮细胞表面的构建  97-116
  4.1 引言  97-98
  4.2 实验部分  98-105
    4.2.1 材料与试剂  98-99
    4.2.2 Au-C_(11)EG_6-GREDVY表面的制备  99-100
    4.2.3 Si表面引发剂的固定  100-102
    4.2.4 Si-POEGMA表面的制备  102
    4.2.5 GREDVY功能化的Si-POEGMA-b-PGMA表面的制备  102-103
    4.2.6 表面性质表征  103-104
    4.2.7 细胞黏附实验  104-105
  4.3 结果与讨论  105-115
    4.3.1 Au-C_(11)EG_6-GREDVY与内皮细胞  105-109
    4.3.2 GREDVY功能化的Si-POEGMA-b-PGMA与内皮细胞  109-115
  4.4 本章小结  115-116
第5章论文总结与展望  116-119
  5.1 论文总结  116-118
  5.2 展望  118-119
致谢  119-121
参考文献  121-146
科研成果目录  146-147
附录A 缩写  147-150
附录B 主要化学试剂的基本性质  150-152
附录C 主要实验仪器  152-153

聚合物化学性质和表面拓扑结构对内皮细胞黏附的影响

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