扫描电化学显微镜实时检测水凝胶组织工程材料中细胞活性的新方法研究

水凝胶材料由于具有含水量高和良好的生物相容性等特点，已成为组织工程学中用于组织细胞培养的最富前景的支架材料。决定水凝胶复合材料可否成功用于人造组织的关键在于水凝胶中组织细胞的活性。而传统的细胞活性的光学检测方法存在不可逆、破坏性和非实时等缺点。本项目立足于电化学、高分子生物材料和组织工程学的交叉，将电化学中的前沿技术-扫描电化学显微镜（SECM）和高灵敏性的超微电极-结合应用到水凝胶组织细胞的活性研究中。利用SECM探头得到的、与细胞功能直接相关的电活性物质在细胞膜间进行的氧化/还原反应的电流信号，非接触、非破坏地对水凝胶中组织细胞的活性及其他功能进行实时的探测和表征，研究不同水凝胶材料的物理化学性质对注入细胞功能的影响，为将来选择、设计和开发一系列具有多功能的、生物体友好型"软"、"湿"高分子水凝胶材料提供理论研究的依据。同时也拓展SECM和超微电极技术在组织工程学材料研究方面的应用。

水凝胶是一类具有化学或物理交联三维网络结构、可吸收大量水分但不溶于水的高分子软材料，其独特的结构、良好的生物相容性和可调控的物化性质使其作为新型生物材料在组织工程、材料科学、农业、环境等多个领域显示出广阔的应用前景。由于水凝胶材料一般在水溶液中且具有软弹特性，用于表征水凝胶形貌和性质的光学和电子显微镜等传统手段存在不能提供水凝胶的功能和化学性质信息，且非原位、破坏性和不可逆表征等问题。扫描电化学显微镜（SECM）是一种应用微米电极为探针，通过记录电解质溶液中样品的氧化还原电流得到样品表面形貌和化学信息的电化学表征技术，具有可在水溶液中原位、无损、可逆表征样品微区形貌和化学信息以及高时空分辨率的优点。本项目立足于电化学、生物材料和组织工程学等领域的交叉，发展了基于扫描电化学显微镜技术可在水溶液中对微孔阵列水凝胶、自愈合水凝胶和磁性水凝胶三种功能性水凝胶材料的形貌、氧气通透性、自愈合程度、催化等性质原位、无损表征的新方法，证明了SECM在水凝胶材料表征方面应用的可行性，也为以水凝胶为代表的新型生物软材料的形貌和性质研究提供了新的表征手段，是SECM在生物材料表征方面应用研究的一项开创性工作。.我们主要围绕项目的研究目标完成了以下六方面的工作：.(1) 应用SECM在水溶液中原位表征了微孔阵列PEGDMA水凝胶表面的二维和三维形貌；.(2) 应用SECM研究了微孔阵列PNaAMPS水凝胶表面的氧气通透性信息；.(3) 应用SECM在水溶液中对Dex-l-PEG水凝胶的自愈合过程进行了原位追踪，定量分析了其随时间变化的自愈合效率；.(4) 应用SECM研究了负载不同形貌Fe3O4纳米粒子的PNaAMPS磁性水凝胶对H2O2的催化活性；.(5) 对应用SECM在各种纳米粒子对细胞膜相互作用的已有研究工作进行了综述；.(6) 应用SECM对染料敏化太阳能电池的经典染料——氯化三(2,2’-联吡啶)钌——在水/油两相界面间的光诱导电子转移反应动力学进行了研究。