材料表面特性对内皮细胞附着和增殖性能的影响研究

论文摘要

人工生物材料植入体内后，会在某种程度上与机体宿主组织发生交互作用导致细胞增生并引起并发症。本文拟研究具有特定表面特性的材料本身与细胞间的交互作用以寻找能抑制细胞增生的材料表面特性。本文分别研究了生物材料表面特性中晶体结构、表面微形貌、电子结构这三个因素对内皮细胞附着和增殖性能的影响。首先利用溶胶凝胶浸渍提拉法制备具有不同晶体结构的TiO2薄膜，研究了环境湿度、基体材料、催化剂酸种类等条件对薄膜质量（如完整性，晶体结构的单一性等）的影响，并在优化后的工艺条件下分别制备出了具有单一锐钛矿相和单一金红石相的均匀致密的纳米晶TiO2薄膜。用免疫荧光标记实验研究细胞的附着性能，BCA法和MTT法检测细胞的增殖性能。结果显示，锐钛矿型TiO2薄膜上的细胞附着和增殖性能都优于金红石型TiO2薄膜。进一步结合表面能测试和红外光谱分析研究不同晶体结构对细胞附着和增殖性能影响的原因，结果显示，晶体结构的不同导致了表面-OH基团含量的不同，带来了表面亲水性的差异，从而影响了内皮细胞的附着性能和增殖性能。提出了一种制备图形化表面TiO2薄膜的可行方法，即利用光刻技术和反应离子刻蚀法（RIE）先在硅表面制备出一系列平面尺寸不同的微图形阵列，然后采用溶胶凝胶浸渍提拉法在其表面制备出均匀致密、表面粗糙度一致的锐钛矿型纳米晶TiO2薄膜。体外细胞学实验表明，当平面空间足够时细胞的附着和增殖性能较好，而当没有足够的平面空间时细胞的附着和增殖性能较差。图形的空间取向也会影响细胞的附着形态并进而影响细胞的增殖性能。利用直流电弧脉冲等离子体沉积法制备具有不同电子结构的类金刚石（DLC）薄膜，用拉曼光谱分析薄膜的sp2／sp3键含量比，发现制备过程中充入同种气体时，靶室气体压强对sp2／sp3键含量比有非线性特征的影响。在靶室气体压强相同的情况下，充入Ar／C2H2混合气体时DLC薄膜中的sp2／sp3键含量比纯Ar气体时略高。体外细胞学实验表明，较高的sp2键含量使细胞的附着性能变差，但是所有DLC薄膜上的细胞形态都过于铺展异常，使得后续的细胞增殖性能没有明显差异。引起细胞形态异常的原因尚待进一步研究。从三方面的研究结果综合来看，选择能导致表面亲水性较差的晶体结构材料并赋予其平面空间较小的表面微形貌可以较好地抑制内皮细胞的增殖。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 生物材料与生物相容性
• 1.1.2 植入材料与细胞间的交互作用
• 1.1.3 材料表面形貌与细胞行为
• 1.1.4 材料表面电性能与细胞行为
• 1.2 前期工作
• 1.3 本课题的研究目的及内容
• 参考文献
• 第二章 晶体结构对内皮细胞附着和增殖性能的影响研究
• 2薄膜材料的制备研究'>2.1 具有不同晶体结构的TiO₂薄膜材料的制备研究
• 2.1.1 实验方法
• 2薄膜的制备'>2.1.1.1 TiO₂薄膜的制备
• 2.1.1.2 薄膜质量及晶体结构表征
• 2.1.2 实验结果和讨论
• 2.1.2.1 基体对薄膜厚度的影响
• 2.1.2.2 环境湿度对薄膜表面完整性的影响
• 2.1.2.3 催化剂酸的种类对薄膜晶体结构的影响
• 2.1.2.4 优化工艺条件小结
• 2.2 不同晶体结构对内皮细胞附着和增殖的影响
• 2.2.1 材料准备
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.2.1 免疫荧光标记实验
• 2.2.2.2 BCA法细胞增殖实验
• 2.2.2.3 MTT细胞增殖实验
• 2.2.3 实验结果
• 2薄膜对内皮细胞附着性能的影响'>2.2.3.1 不同晶体结构的TiO₂薄膜对内皮细胞附着性能的影响
• 2薄膜对内皮细胞增殖性能的影响'>2.2.3.2 不同晶体结构的TiO₂薄膜对内皮细胞增殖性能的影响
• 2.3 不同晶体结构影响内皮细胞附着和增殖的机制研究
• 2.3.1 实验方法
• 2.3.2 实验结果
• 2薄膜的表面粗糙度分析'>2.3.2.1 不同晶体结构的TiO₂薄膜的表面粗糙度分析
• 2薄膜的表面能测量结果'>2.3.2.2 不同晶体结构的TiO₂薄膜的表面能测量结果
• 2的红外光谱分析结果'>2.3.2.3 不同晶体结构的TiO₂的红外光谱分析结果
• 2.3.3 讨论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 材料表面形貌对内皮细胞附着和增殖影响的研究
• 3.1 材料的制备和表征
• 3.1.1 实验方法
• 3.1.1.1 微图形阵列的制备
• 2薄膜的制备'>3.1.1.2 图形化表面TiO₂薄膜的制备
• 3.1.1.3 扫描电镜观察表征
• 3.1.2 实验结果
• 3.1.2.1 微图形阵列的扫描电镜观察表征
• 2薄膜系列的扫描电镜观察表征'>3.1.2.2 图形化表面TiO₂薄膜系列的扫描电镜观察表征
• 3.2 内皮细胞对材料表面形貌的响应
• 3.2.1 材料准备
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.2.1 扫描电镜观察实验
• 3.2.2.2 免疫荧光标记实验
• 3.2.2.3 BCA法细胞增殖实验
• 3.2.2.4 MTT细胞增殖实验
• 3.2.3 实验结果
• 3.2.3.1 表面形貌对内皮细胞附着形态的影响
• 3.2.3.2 表面形貌对内皮细胞增殖性能的影响
• 3.2.4 讨论
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 材料表面电子结构对内皮细胞附着和增殖影响的研究
• 4.1 材料的制备与表征
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.1.1 DLC薄膜的制备
• 4.1.1.2 DLC薄膜的电子结构性能表征
• 4.1.2 实验结果
• 4.2 细胞对材料表面电子结构的响应
• 4.2.1 材料准备
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.2.2 免疫荧光标记实验
• 4.2.2.3 BCA法细胞增殖实验
• 4.2.2.4 MTT细胞增殖实验
• 4.2.3 实验结果
• 2/sp³键含量不同的DLC薄膜对细胞附着性能的影响'>4.2.3.1 sp²/sp³键含量不同的DLC薄膜对细胞附着性能的影响
• 2/sp³键含量不同的DLC薄膜对细胞增殖性能的影响'>4.2.3.2 sp²/sp³键含量不同的DLC薄膜对细胞增殖性能的影响
• 4.2.4 讨论
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 附录 硕士期间发表的文章
• 后记