电响应的仿生智能界面的构建及其应用

Surfaces with stimuli-responsive properties, also known as smart surfaces, have attracted substantial research interest in the past few years. Surfaces that can modulate biomolecule activity, protein immobilization, and cell adhesion and migration, at the liquid–solid interface can be tremendously useful in diverse biological and medical applications. In the recent researches, the stimuli consists of temperature, pH, photo and electrical and so on. The electrical-responsive smart surfaces are widely used due to their advantages: easy operation, low cost, high sensitivity, cell harmless, monitor of surface functional group and so on. The previous work that constructed smart surface, are based on the modification/removal and hidden or exposed, through different means. Few work research the effects of the different states of bio-molecules (conformation, structure etc.) on the cell adhesion, migration and differentiation. However, in the biological systems, different states of bio-molecules indeed have a considerable impact on interaction between cell and surface. Therefore, it is necessary to construct more complex smart surface to simulate different biological environment.

能够随着外界刺激的变化而改变表面性质的智能界面在过去的几年中吸引力了大量的研究兴趣。能够调节生物分子活性、蛋白质固定、细胞粘附和迁移的智能界面可以在生物和医学领域有相当广泛的应用。目前的研究成果中，所施加的外界刺激有温度、pH、光照、电等。其中，电响应因其操作方便、成本低、灵敏度高、对细胞无伤害、可监控表面官能团变化等优势被广泛应用。而以往构建的电响应的智能仿生界面，均是以不同手段达到生物活性基团的固定或脱除，隐藏或裸露，很少有研究这些生物活性分子在不同状态（构象变化、结构变化等）时对细胞粘附、迁移或分化等行为的作用。而生物体系中，生物活性分子的不同状态确实会对表面与细胞的相互作用产生相当大的影响，因此，需要构建更加复杂的智能表面来模拟不同的生物环境，来研究这些影响。

通过人工材料来调节细胞生理行为一直是生物医学领域的重要挑战。智能仿生界面在过去的几年中吸引了大量的研究兴趣，它可以调节生物分子活性、蛋白质固定、细胞粘附和迁移的智能仿生界面在生物和医学领域具有相当广泛的应用。例如多巴胺是一种重要的神经递质分子，其在人类的神经细胞功能调控中起到关键的作用。本项目利用多种神经递质分子本身的结构特点，实现了基于氨基固定的金表面多巴胺自组装单分子膜的电化学脱附和微流控芯片技术的人工突触的构建，具有设计简单、成本低、重复性好、以及高的时间和空间灵敏度等优点。具体完成的研究内容有：电化学响应的多巴胺自组装单分子膜的构建和表征；电化学控制下多巴胺自组装单分子膜的释放；多巴胺自组装单分子膜人工突触的构建；以及将智能界面应用到纳米孔的修饰中，构建多功能纳米二极管。研究成果和手段可应用于研究生物体内多巴胺及其类似物的释放对脑部神经元细胞的调控作用，在细胞生物学以及人工智能等方面可能会有重要的应用。此外人体中许多功能的实现依赖于神经递质的传递，由于疾病或外伤等原因导致的相关功能的缺失往往造成病人的终身残疾和痛苦，本项目的成果，为通过人工材料和组织工程的方法来重现类似功能提供了新的策略。