聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面修飾及在細胞培養(yǎng)中的應(yīng)用

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(1.北京服裝學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029；2.塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；3.北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點實驗室，北京 100191；4.北京航空航天大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 102402)

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一種有機硅材料，其主鏈由Si-O鍵構(gòu)成，空間上呈螺旋形。作為一種高分子有機硅化合物，PDMS由于其具有電絕緣性，生物相容性，彈性，耐熱性，較高的化學(xué)惰性以及成本低廉許多特性，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如建筑、航空航天、生物醫(yī)療、電子電器等[1]。近年來，具有微納米尺度可加工性優(yōu)異性能的PDMS已經(jīng)發(fā)展成在生物微流控領(lǐng)域最為受歡迎的基底材料，同樣在細胞體外培養(yǎng)方面的應(yīng)用也極為廣泛。但是，普通制作的PDMS表面具有疏水性，這對細胞的粘附和生長極為不利[2]，而且，生物組織細胞與基底材料表面直接接觸，基底表面的特征性能是引起生物組織細胞發(fā)生反應(yīng)的直接因素。因此，對PDMS表面進行表面修飾以達到實驗研究和性能優(yōu)化的目的，是一個極為重要的研究方向。這包括對PDMS進行表面改性使其由疏水性變?yōu)橛H水性，同時，在賦予PDMS表面親水性的基礎(chǔ)上，對其進行圖案化，比如改變其形貌，硬度等特征。

1 表面改性

對于PDMS的表面改性，目前已研究發(fā)展出了很多種方法。主要有等離子處理，紫外輻射處理，硅烷化，接枝共聚法，動態(tài)表面改性法等。這些方法各有優(yōu)缺點。等離子處理法操作十分簡單，并且能夠快速改善PDMS表面的親水性，是修飾改性應(yīng)用最為廣泛的一種方法之一，但是這種方法也有一個很大的缺陷，即經(jīng)過等離子處理之后的PDMS表面在很短時間內(nèi)便會發(fā)生疏水復(fù)原，表面由親水重新變得疏水[3]。紫外輻射處理的優(yōu)點在于能量低，在處理改性過程中不會使PDMS的表面發(fā)生大的機械性能變化，紫外處理的缺點在于，時間較長，且只在氣相有氧的環(huán)境中效果更好[4]。硅烷化和接枝共聚法是將PDMS與有機試劑接觸反應(yīng)，將親水基團修飾到材料表面，這種處理方法得到的親水表面能夠維持較長時間，疏水復(fù)原時間相對長，但是缺點是操作繁瑣，且需要一定時間[5]，并可能會對后期在PDMS表面進行培養(yǎng)的細胞狀態(tài)產(chǎn)生影響。動態(tài)表面改性法是用表面活性劑、蛋白質(zhì)或者離子液體等對PDMS進行涂層表面修飾，這種方法簡便經(jīng)濟，但是表面活性劑和離子液體處理的材料表面親水性維持時間較短，且可能會在細胞培養(yǎng)中與與培養(yǎng)基發(fā)生反應(yīng)，影響細胞生長，而蛋白質(zhì)吸附得到親水性表面則要求無菌和無蛋白質(zhì)降解酶的環(huán)境。最近，也有學(xué)者在改善親水性的同時，試圖賦予PDMS表面更多的優(yōu)異性能。Jiao J等在PDMS表面涂上中草藥提取物--丹皮酚，改變了PDMS表面的潤濕性和元素組成。PDMS表面抑制接觸面細菌生長，促進非癌癥哺乳動物細胞低毒性生長；同時，癌細胞的生長明顯受到抑制[6]。

在細胞培養(yǎng)過程中，無菌環(huán)境是必須的，且細胞培養(yǎng)一個周期較長，大概需要3～4天。因此，在綜合比較了各種PDMS表面親水性改性的方法后，選用了等離子處理和動態(tài)表面改性兩種方法相結(jié)合對PDMS表面進行修飾改性。先用小型離子濺射儀對PDMS處理3次，每次1～2 min，之后將PDMS在0.1%的明膠(一種膠原蛋白部分講解之后的產(chǎn)物，具有良好的生物相容性)中于37℃無菌條件下孵育30 min。對經(jīng)過如上處理之后的PDMS表面進行接觸角測量，發(fā)現(xiàn)其接觸角由原始的110°左右下降到30°左右。且在4～5天里能夠維持一個較好的親水性，滿足細胞的體外培養(yǎng)。

2 表面圖案化

細胞體外培養(yǎng)時時與基底直接接觸的，基底的硬度、表面幾何形態(tài)等對細胞的生長起到了一定的調(diào)控作用。目前，對PDMS表面進行圖案化處理的方法主要有刻蝕技術(shù)，軟刻蝕技術(shù)，納米壓印技術(shù)等。 刻蝕技術(shù)是通過利用紫外光、激光、X射線、電子束等的高能量源，在掩模板的輔助作用下，有選擇性的去除材料表面特定區(qū)域的物質(zhì)，從而得到具有拓撲結(jié)構(gòu)的材料表面[7]。目前實驗室條件下，紫外光刻蝕的應(yīng)用較為廣泛，原因是其對實驗條件的要求相對寬松，操作簡便，能夠得到亞微米級的圖案[8]。軟刻蝕改進了傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)的很多缺陷，且PDMS表面具有易加工的特性，通過模板復(fù)刻，能夠更加簡便的得到想要的材料表面，在圖案化過程中應(yīng)用廣泛。納米壓印技術(shù)是通過納米材料的在材料表面的沉積和吸附，不需要能量束的參與即可得到納米尺寸的圖案，具有低耗高產(chǎn)的優(yōu)勢[9]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，研究人員在研究基底對細胞增殖生長等的影響時，已經(jīng)不再滿足于探索基底的二維結(jié)構(gòu)，三維結(jié)構(gòu)對細胞的影響已經(jīng)成為一個熱門研究方向。Moghadas等改良制備了適合三維細胞培養(yǎng)的電紡聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜/支架，他們成功地在這些膜上培養(yǎng)了上皮肺癌細胞，證明其適合細胞培養(yǎng)應(yīng)用[10]。Mayer M等通過在PDMS基底內(nèi)部嵌入磁性微粒，實現(xiàn)了在磁場作用下基底彈性的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)人類原代成纖維細胞中平滑肌肌動蛋白的表達具有彈性依賴性[11]。Zargar R等采用氣體發(fā)泡與顆粒浸出相結(jié)合的方法，以NaHCO3為發(fā)泡鹽，NaCl為起始劑，形成三維PDMS海綿。采用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷進行表面化學(xué)修飾，在多孔PDMS基質(zhì)上培養(yǎng)內(nèi)皮細胞。結(jié)果表明內(nèi)皮細胞對制備的PDMS海綿有積極的反應(yīng)[12]。

我們將細度均勻的鋼絲緊密排列制成初始模具，將PDMS凝膠澆注其上，得到了帶有三維凹曲面的PDMS表面，同時以得到的凹曲面PDMS為模板，復(fù)刻得到帶有三維凸曲面的PDMS曲面，在這兩種曲面基底上培養(yǎng)小鼠胚胎干細胞，并與平面PDMS基底對比發(fā)現(xiàn)，凹曲面和凸曲面均能在一定程度上幫助小鼠胚胎干細胞維持其多能性。但是具體作用機理還不清楚，我們猜測這可能與細胞和基底之間所產(chǎn)生的粘附力有關(guān)。

3 結(jié)論與展望

PDMS因其獨特的化學(xué)物理性能，在細胞培養(yǎng)中應(yīng)用廣泛。其表面修飾的方法，包括表面改性和圖案化都已有很多的研究，并對細胞的體外培養(yǎng)和實驗研究起到了很大的促進作用。但是表面改性的疏水復(fù)原問題還沒有得到很好解決，表面圖案對細胞生長產(chǎn)生影響的作用機理尚未為被揭示。這為材料和生物兩大領(lǐng)域及其交叉學(xué)科的未來研究提供了一個方向。