超疏水材料表面的细胞粘附机理研究

Owing to its unique wettability, superhydrophobic materials can control the adsorption/adhesion process of proteins, cells and bacteria, and have attracted tremendous attention in the field of biomedical materials. However, the rules and mechanisms of cell adhesion and growth on the superhydrophobic materials remain unclear. This project aims at investigating the effect of surface structure and properties of superhydrophobic materials on cell adhesion, and interpreting the mechanism of cell adhesion on superhydrophobic materials. Firstly, superhydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) with different adhesive force will be constructed by soft photolithography. Then we will systematically study the responses of proteins and cells on different superhydrophobic materials in the presence or absence of trapped air (trapped air will be eliminated by ultrasonication), including testing protein adsorption amount and conformation change, single-cell adhesion force, cell-adhesion kinetics and cell immunofluorescence. The relationship between material adhesive force and cell adhesion force will be discussed. We will comprehensively study and reveal the general rules and mechanisms of how morphology, adhesive force, trapped air and proteins affect cell adhesion on superhydrophobic materials. In addition, we proposed to introduce the contribution of proteins and trapped air to the Dupré work of adhesion theory, and develop a more suitable cell adhesion model for superhydrophobic materials. The research results of this project will provide theoretical basis and scientific guidance for the functional design of biomedical materials.

超疏水材料因其独特的润湿性，可调控蛋白、细胞、细菌等的吸附/粘附过程，在生物医用材料领域备受关注。然而，细胞在超疏水材料表面粘附生长的规律和机理仍不明晰。本项目以研究超疏水材料的结构和性质对细胞粘附的影响规律为主线，阐明细胞在超疏水材料表面的粘附机理。首先采用软光刻法，制备具有不同黏附性的超疏水的聚二甲基硅氧烷（PDMS）；然后系统研究超疏水材料界面有、无空气膜存在（用超声除空气膜）时蛋白和细胞在不同的材料表面的响应规律，利用蛋白吸附量和构象变化测试、单细胞粘附力学、细胞粘附动力学和细胞免疫荧光等实验，讨论材料黏附性与细胞粘附力之间的关联，揭示超疏水材料的形貌、黏附性、界面空气膜和蛋白对细胞粘附的影响规律和相关机制；最后在Dupré粘附功模型基础上引入蛋白、空气膜对细胞粘附的贡献，建立适用于超疏水材料的细胞粘附理论。相关研究成果可望为生物医用材料表面功能化设计提供理论依据和科学指导。

超疏水材料因其特殊的微纳米结构和疏水官能团而具有特殊的润湿性，被广泛应用于自清洁、防腐蚀、油水分离、防结冰、医学领域等。在生物医用领域，超疏水材料被广泛用于调控蛋白吸附、细胞粘附、细菌粘附、血细胞粘附等。超疏水材料在与生物体系接触时，在固-液界面会形成空气膜，该空气膜对生物体系响应的影响仍不明晰。针对此，本项目研究了超疏水材料与水溶液接触时，固-液界面有、无空气时（通过超声除去）材料表面的结构对细胞、蛋白、血小板和细菌的影响，并提出可能的解释模型。首先，我们在医用钛表面制备了超疏水的多孔二氧化钛材料，对比研究空气和材料结构对细胞粘附的影响，结果表明当蛋白浓度和细胞密度较低时，空气对蛋白吸附和人乳腺癌细胞的粘附无明显影响。紧接着，我们制备并研究了细胞在结构差异的超疏水二氧化钛纳米材料的响应，结果表明结构的差异会引起材料界面空气数量和水粘附力的差异，并显著抑制蛋白吸附。当细胞密度较低时，空气和材料的不同结构对细胞的粘附都无明显影响，但细胞密度较高时，随着材料表面纳米结构尺寸的增大，空气对细胞粘附和增殖的抑制作用增强。我们进一步扩展验证了空气和超疏水材料的结构对血小板和细菌响应的影响规律，结果表明其规律类似于细胞的粘附。最后，我们详细分析讨论了不同尺寸的空气层对蛋白、细胞、细菌和血小板粘附的作用，引入Rob Phillips的排空力模型、Dupre粘附功模型来解释空气的作用。本项目的实施不仅能帮助我们更好地理解超疏水材料的结构性质对生物学响应的影响，而且能帮助我们更好地设计生物医用材料。