基于聚合物刷的气道纤毛功能化模拟及其生物力学行为研究

Tracheal reconstruction techniques as a research hotspot to the large size of tracheal defects diseases, due to it lacks detailed basic theory or mechanism so that it will limit tracheal reconstruction techniques’ application range and efficacy in clinical. In term of this problem, our project will use polymer brush to imitate the airway cilia, both the polymer brush’s structure and interaction with airway epithelial cell whose biological and mechanical behavior will be deeply discussed. In order to be able to grasp the feasibility that polymer brush material simulating airway mucociliary clearance process to sweep the airway waste and the mechanism of functionality, we also will use the method of computer simulating and mathematical models to fully process experimental data. Meanwhile, mathematical models we found can help us establish more direct and effective functional prediction and evaluation system to polymer brush material simulating airway mucociliary clearance process to sweep the airway waste, even can predict its effects of clinical application. The successful implementation of this project, one can enrich the content of the relevant theories, on the other hand artificial cilia research, clinical and industrial processes can be accelerated to some extent.

气管重建技术是治疗大范围气管缺损疾病的研究热点，然而目前还缺乏对其机理的认识和基础理论的指导，从而限制了其在临床的应用范围与疗效。本项目针对这一现状，拟以聚合物刷模拟气道纤毛，对其结构、性质及其与气道上皮细胞的相互作用和其膜材料清除气道粘液的力学行为进行深入分析，运用数学模型对实验数据进行充分探讨，以期能够掌握聚合物刷模拟气道纤毛清除气道粘液废物的可行性及其功能化过程的机理问题。同时，利用研究构建的数学模型，建立更加直接有效的聚合物刷材料模拟气道纤毛的功能化预测和评价体系，甚至对其临床应用效果作出一定预测。本项目的顺利实施，一方面能够丰富相关的理论内容，另一方面可以从一定程度上加速人工纤毛的研究、产业化及临床推广进程。

气管重建技术是治疗大范围气管缺损疾病的研究热点，然而目前还缺乏对其机理的认识和基础理论的指导，从而限制了其在临床的应用范围与疗效。本项目针对这一现状，本项目选取两种丙烯酸酯类单体——丙烯酸正丁酯(nBA)和甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)，采用半连续乳液聚合法，合成制得p(nBA-DEAEMA)球形聚合物刷，采用正交试验筛选了合成的最佳工艺参数，并对该产物的结构和理化性质等进行了详细的表征。随后，为了了解材料可能的降解行为及其产生的小分子毒性物质是否会导致可能接触的邻近组织细胞出现严重病理反应，我们还对材料的体外降解行为进行了研究，确定了材料在长时间的使用过程中降解行为的变化趋势，然后再对SD大鼠气道上皮细胞直接接触聚合物膜材料的粘附能力进行了表征，在确定该细胞在膜材料表面不能粘附后（杜绝植入后期在其上发生细胞爬行增生导致被修饰管腔变窄的情况发生），根据降解行为研究结果，对材料用高糖完全培养基作为浸提介质制作了不同时间梯度的浸提液，考察了SD大鼠气道上皮细胞经各梯度材料浸提液作用后主要的生物学行为和力学行为的变化。最后，由于前面的研究已经初步显示出了本文中合成的材料初步具备了成为人工气管内表面修饰材料的可能，所以我们进一步进行了这一仿生材料功能性的考察，以评价其能否代替纤毛在人工气管内实现清除气道废物的可能。结合人工气管在应用中的具体环境，我们考察了聚合物膜材料刷层在持续剪切冲刷作用下的坚牢度，并运用流变学的研究方法系统研究了纤毛样刷层-模拟粘液系统在不同性质剪切流体作用下体系的粘度变化，以此间接说明材料的稳定性，最后还对膜材料进行了清除气道粘液的初步研究，进一步证明了该纤毛样聚合物膜材料作为人工气管内表面修饰材料的可能。.本项目的顺利实施，一方面能够丰富相关的理论内容，另一方面可以从一定程度上加速人工纤毛的研究、产业化及临床推广进程。