（高分子化学与物理专业论文）聚氨酯内皮细胞杂化界面的构建及其细胞相容性研究.pdf

新江大学博士学位论文犯0 8 0 ) 撼要 摘要 本文以聚氨酯( p u ) 为基底材料，采用热致相分离法( t i p s ) 制备了p u 多 孔膜。通过表面光化学接枝、表面生物活性因子固定化分别将可促进细胞粘附 和生长的功能性单体和细胞生长因子引入至t p u 表面，并研究了改性p u 膜对人体 脐带静脉内皮细胞( h u v e c ) 相容性的影响。 f 在h ，0 ，存在下紫外光光氧化将过氧化氢基团引入聚氨酯表面。紫外光作用 下，实现了甲基丙烯酸二甲胺基乙酯( d m a ) 、丙烯酸羟乙酯( h e a ) 、甲基丙 烯酸( m a a ) 、丙烯酰胺( a a m ) 在聚氨酯表面的接枝，并将d m a 接枝膜通 过碘甲烷处理实现了聚氨酯表面的阳离子化。得到胺基化、羟基化、羧基化、 酰胺化及阳离子化表面。研究了不同接枝方法对接枝率、接枝膜表面组成、亲 疏水性、表面形貌的影响。通过将氧化膜置于单体溶液中接枝即溶液法接枝得 到较高接枝率的接枝膜，接枝膜具有粗糙的表面形貌，接枝膜的亲水性得到很 大改善；将氧化膜浸泡于一定浓度的单体水溶液中后取出，紫外光作用下实现 了单体的接枝聚合，即预吸附法接枝。得到的接枝膜具有较低的接枝率，接枝 层主要位于接枝膜的表层；接枝膜表面平整光滑，同时亲水性得到较大改善。 溶液法接枝时，接枝链长且不均一；预吸附法接枝时，接枝链短且分布均匀。 用t i p s 法制备了表面开孔、内部连通的聚氨酯多孔膜。研究了聚合物浓度、 降温速率、成膜介质对平均孔径、孔隙率、膜的表面形貌的影响。用预吸附法 在聚氨酯多孔膜表面接枝a a m 和m a a 单体分别得到含酰胺基团和羧基的细胞 相容过渡层。接枝后的多孔膜平均孔径基本保持不变。 研究了内皮细胞在改性聚氨酯无孔膜表面粘附和生长情况。溶液法接枝得 到的膜的细胞相容性差。而预吸附法接枝克服了溶液法接枝的缺点，有效地改 善了p u 的细胞相容性。得到的胺基化、阳离子化、羟基化、羧基化及酰胺化 五种界面均可在一定程度上改善p u 的细胞相容性。不同的基团及其含量对细 胞相容性的影响程度不同。胺基和阳离子的含量在一定范围内可以促进细胞的 粘附和增殖，含量高时反而对细胞的粘附和生长不利。而羟基、羧基及酰胺基 团接枝表面的细胞相容性在实验条件下均随含量的增加而提高。h e a 、m a a 及a a m 接枝对细胞相容性( 粘附率、增殖率、单个细胞活性) 的提高效果好 于d m a 接枝膜及其阳离子化膜。其中h e a 对细胞相容性的提高作用最大。 p u 多孔膜的细胞相容性结果表明，对多孔膜表面改性，引入促进细胞粘附 和生长的基团，有效改善了多孔膜的细胞相容性。改性膜的细胞相容性与接枝 率及孔径相关。多孔膜的细胞相容性较无孔膜差，这是由于多孔膜中的孔减小 型塑壁丝垒望! 型 燮 了细胞与表面的作用几率，因而减小了细胞的粘附率。细胞的分裂和生长过程 中，细胞可以越过孔径与细胞尺寸相当的孔生长，却不能越过比其尺寸大的孔。 因此，多孔膜的细胞粘附和增殖情况与孔径相关。接枝改性对孔径小的膜的细 胞相容性的提高程度高于孔径大的膜。比较a a m 接枝和m a a 接枝对细胞相容 性的提高程度可知，m a a 改性的效果好于a a m 。 将酸溶性的i 型及i i i 型胶原吸附到聚氨酯膜表面；用偶联剂将明胶及r g d 肽固定到m a a 接枝聚氨酯膜的表面，制备了具有生物活性的聚氨酯膜。 i 型胶原由于其抗原性对内皮细胞的粘附和生长均有抑制作用。有i i i 型胶 原、明胶和r g d 肽存在的表面，内皮细胞的细胞相容性得到显著改善。增加表 面生物活性物质的量可进一步提高膜的细胞相容性。， 关键词组织工程，内皮细胞，细胞相容性，聚氨酯，表面改性，聚氨酯多孔膜 燮兰竺兰兰丝丝苎堡! 塑：一坐! 竺生 a b s t r a c t p o l y u r e t h a n e ( p u ) h a sb e e nw i d e l yu s e da st i s s u ee n g i n e e r i n gm a t e r i a ld u e t oi t s g o o dp h y s i c a lp r o p e r t ya n db l o o dc o m p a t i b i l i t y h o w e v e r ，p o o r c e l l c o m p a t i b i l i t y r e s t r i c t e di t su s e s a l t h o u g hp uw a ss u i t a b l ef o rc e l ls e e d i n gt h a no t h e rs u b s t r a t as u c h a sf e p , p t f eb e c a u s eo fi t sm o r eh y d r o p h i l i cs u r f a c e ，b a r ep u w a sn o tg o o df o rc e l l c o l o n i z a t i o nb e c a u s ec e l l sa r ei n c a p a b l eo fc o n f l u e n t l yp r o l i f e r a t i n g o r s t r o n g l y a d h e r i n g o nt h es u r f a c e s oi ti s n e c e s s a r y t o m o d i 分t h es u r f a c a t o w a r d sc e l l a t t a c t u n e n ta n dp r o l i f e r a t i o n i ti sk n o w nt h a tt h ec h e m i c a la n dp h ) ，s i c a l s u r f a c a s t r u c t u r eo fp o l y m e r si s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o rt h er e a c t i o n s i nb i o l o g i c a ls y s t e m s t h e r e f o r e ，i n s t e a do f d e v e l o p i n gan e ws e r i e so f p o l y m e r s ，t h ee m p h a s i sh e r ew a sl a i d o nt h em o d i f i c a t i o n so f t h es u r f a c ep r o p e r t i e st oi m p r o v ei t se e l lc o m p a t i b i l i t y n o n p o r o u s a n dp o r o u sp um e m b r a n e sw e r em o d i f i e db yp h o t o - g r a f t i n gw i t h h y d r o p h i l i cm o n o m e r sa n di m m o b i l i z i n gb i o m o l e c u l e s s u r f a c e st h u so b t a i n e dm a y b eh e l p f u lf o rc e l la t t a c h m e n ta n dg r o w t h c o m b i n i n g t h eu s eo ft h ep h o t o o x i d i z a t i o na n di r r a d i a t i o ng r a f t i n gm o d i f i e dn o n - p o r o u sp u t h eh y d r o p e r o x i d eg r o u p sw h i c h a c t e da si n i t i a t o rw e r ei n t r o d u c e do n t o t h ep us u r f a c e ，t h e nt h eh y d r o p h i l i cm o n o m e r si n c l u d i n g ( 2 一d i m e t h y l ) a m i n o e t h y l m e t h a c r y l a t e ( d m a ) ，( 2 - h ) ，d r o x y l ) e t h y la c r y l a t e ( h e a ) ，m e t h a c r y l i ca c i d ( m a a ) a n d a c r y l a m i d e ( a a m lw e r ep h o t o g r a f t e do n t op u s u r f a c et h ed m a g r a f t e dp uw a s q u a t e m i z e db yi o d o m e t h a r i a f i v ek i n d so fs u r f a c ew e r et h u so b t a i n e d ，i e s u r f a c e w i t ha m i n og r o u p s ，h y d r o x y lg r o u p s ，c a r b o n y lg r o u p s ，a m i d eg r o u p sa n dc a t i o n i c g r o u p s t h ep h o t o g r a f t i n gw a sp r o c e s s e di nt w ow a y s s o l u t i o ng r a f t i n g a n dp r e a d s o r b i n gg r a f t i n g p u m e m b r a n em o d i f i e d b y s o l u t i o n g r a f t i n g r e s u l t e di n h y d r o p h i l i ca n dr o u g hs u r f a c e h o w e v e r , s u r f a c ep h o t o g r a f t i n gb yp r e a d s o r b i n g g r a f t i n g ( b yi r r a d i a t i n gt h em e m b r a n ei m m e r s e dp r e v i o u s l yi n m o n o m e rs o l u t i o n ) r e s u l t e di nh y d r o p h i l i ca n ds m o o t hs u r f a c a t h ep r e a d s o r b i n gg r a f t i n gw a sc o n f i n e d m a i n l y i ns u r f a c el a y e r p o r o u sm a t e r i a l sw e r ec o m m o n l yu s e di nt i s s u ee n g i n e e r i n gt h e r m a l l yi n d u c e d p h a s es e p a r a t i o n ( t i p s ) m e t h o d w a s e m p l o y e d t op r e p a r ep o r o u sp u t h es t r u c t u r eo f p uf i l m t h u so b t a i n e dw a s o p e n a n di n t e r c o n n e c t e d t h ec o n c e n t r a t i o no fp u s o l u t i o n ，q u e n c h i n gt e m p e r a t u r ea n dc o n d u c t i n gm e d i u ma f f e c t e dt h ep o r ed i a n a e t e r ， p o r o s i t ya n dm o r p h o l o g y o f p o r o u sp u t h r e et y p e so fp o r o u sp u w i t ha v e r a g ep o r e d i a m e t e r2 1 ，1 2a n d5 p mw e r e m o d i f i e d b yp h o t o g r a f t i n g w i t h h y d r o p h i l i c m o n o m e r s i n c l u d i n gm a a a n da a m t h eh u m a nu m b i l i c a le n d o t h e l i a lf h u v e ) c e l l sw e r es e e d e do nt h es u r f a c e st ot e s t t h e i re e l lc o m p a t i b i l i t y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es u r f a c e so b t a i n e db ys o l u t i o n g r a f t i n gs h o w i n gp o o r c e l l c o m p a t i b i l i t ya n ds u r f a c e s o b t a i n e d b yp r e - a d s o r b i n g g r a f t i n gs h o w i n gi m p r o v e dc e l lc o m p a t i b i l i t y t h ed i f f e r e n c eo f c e l lc o m p a t i b i l i t yo f s u r f a c e so b t a i n e db yt h et w og r a f t i n gm e t h o d sr e v e a l e dt h a tt h es o l u t i o ng r a f t i n g y i e l d e ds u r f a c e w i t h i n h o m o g e n e o u s a n d l o n gc h a i n s ，w h i l e t h e p r e a d s o r b i n g g r a f t i n gy i e l d e ds u r f a c ew i t hu n i f o r ma n ds h o r tc h a i n s t h ee e l l a t t a c h m e n ta n d p r o l i f e r a t i o nw e r ec o r r e l a t e d w i t ht h es u r f a c e c o m p o s i t i o n t h ec e l 】a t t a c h m e n t 浙江大学博士学位论文( 2 0 0 0 )a b s t r a c t p r o l i f e r a t i o na n da c t i v i t yw e r ep r o x i m a li naa p p r o p r i a t en l s c 1 sr a t i oo nt h ed m a g r a f t e da n dq u a t e r n i z e ds u r f a c e s a sf o rh e a m a a o ra a m g r a f t e dm e m b r a n e s ，t h e e e l l a t t a c h m e n t p r o l i f e r a t i o n a n da c t i v i t yw e r ei m p r o v e dw i mt h e i n c r e a s i n g o f 0 1 c l sr a t i oa n dn i s c l sr a t i o r e s p e c t i v e l y t h em o d i f i e dp o r o u sp us h o w e d i m p r o v e de e l la t t a c h m e n ta n dp r o l i f e r a t i o n ，w h i c hc o r r e l a t e dw i t hp o r ed i a m e t e ra n d d e g r e e o fg r a f t i n g t h ec e l l c o m p a t i b i l i t yo fp o r o u sm e m b r a n ew i t h s m a l l p o r e d i a m e t e rw a sb e t t e rt h a nt h a tw i t hl a r g ep o r ed i a m e t e r i m m o b i l i z i n gb i o m o l e c u l e so n t ot h es i l l f a c ei sa n o t h e rm o d i f i c a t i o nm e t h o du s e dt o i m p r o v ec e l lc o m p a t i b i l i t yo fp u t w oc o l l a g e n ，t y p ei a n dt y p e1 1 1w e r ea d s o r b e d o n t 0p us a t f a c e s t h e g e l a t i n a n dr g dp e p t i d ew e r ei m m o b i l i z e do n t op u p r e v i o u s l ym o d i f i e db ym a a t h ec o l l a g e nt y p ei i i g e l a t i na n dr g di m m o b i l i z e d s u r f a c e sp r o m o t e dh u v ec e l l s 。a t t a c h m e n ta n dp r o l i f e r a t i o n a n d i m p r o v e da l o n g w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eb i o m o l e c u l e sa m o t m t h o w e v e r , t h e c o l l a g e nt y p eid i dn o t s u p p o r tt h ec e l l st oa d h e r ea n dp r o l i f e r a t ep r o b a b l yb e c a u s eo f i t sa n t i g e n p r o p e r t yf o r e n d o t h e l i a lc e l l s k e y w o r d s ：t i s s u ee n g i n e e r i n g ，h u m a nu m b i l i c a le n d o t h e l i a lc e l l ，c e l lc o m p a t i b i l i t y p o l y u r e t h a n e ，s u r f a c em o d i f i c a t i o n ，p o l y u r e t h a n ep o r o u sm e m b r a n e 2 新江大学蒋士学位论文( 2 0 0 0 ) 第一章文献综述 第一章文献综述 随着现代生命科学、材料科学、医学、工程学等多学科相互渗透和发展， 生物医用材料，这一正对人类健康作出重要贡献并将获得重大发展的重要学科 愈来愈受到人们的普遍关注，成为世界各国竞相研究开发的热点。生物医用材 料又称生物材料，是指以医疗为目的的，用于和活组织接触以形成功能性的无 生命材料，包括具有生物相容性或生物降解性能的材料。简言之，生物材料是 用于取代、修复活组织的天然或人造材料。 根据生物材料的特点，它应满足一定的物理机械性能、化学稳定性、无毒 性、易加工成型性、医用功能性和生物相容性等要求。其中生物相容性是一种 材料能否用作生物材料的重要量度。生物相容性是指材料和活体组织之间相互 容纳的程度【2 】。它包含血液相容性和组织相容性。血液相容性，是指材料与血 液接触后，不引起血浆蛋白的变性，不破坏血液的有效成分，不导致血液的凝 固和血栓的形成；组织相容性，是指材料与生物活体组织及体液接触后，不引 起细胞、组织的功能下降，组织不发生炎症、癌变以及排异反应等i ”。生物相 容性是生物医用材料区别与其它材料的最重要的特征，是评价一种材料能否在 生物医学领域应用的根本依据。近年来，随着组织工程学这门研究利用细胞培 养技术制造人工组织或器官的学科的迅速发展，组织工程材料也日益受到人们 的重视。研究开发具有良好组织相容性的材料成为组织工程发展的基石。 1 1 组织工程 组织工程是指应用生命科学与工程学的原理和方法来设计、组建、维护人体 细胞和组织的生长，以恢复受损伤的组织或器官的功能【”。组织工程的发展为 组织或器官的修复与再建提供了可能。 1 1 1 组织工程的产生背景和研究内容 当人体的组织或器官由于外伤或病变受到损伤后，如何恢复这些组织或器 官的功能成为人们关注的焦点。目前的主要方法是：器官移植、用生物材料制 成人工器官取而代之。虽然目前的组织移植技术可以将一个人的组织或器官移 植到另一个人的受损的组织或器官中去，但会带来移植器官在界面发生的炎症 反应、位移和破裂。而且组织或器官的来源严重不足，造成很多急需器官移植 的病人死亡。用生物材料制成人工器官取代受损组织或器官时，由于所用的材 料是人工合成或天然的，具有生物不相容性或生物相容性差，植入体内后会被 塑垒兰丝兰丝丝苎竺业! 曼二兰墅丝型 宿主视为异物受到机体的攻击和排斥，产生一系列的副作用。再者，合成材料 不是活体组织，不具备人体器官的复杂功能，如微囊化的活性碳制成的人工肝 支持装置，只具有肝脏的解毒功能而无合成性能。基于此，在体外用聚合物构 建一个支架植入体内，使活细胞与支架进行结合，构成具有生物活性的人体组 织或器官，即用工程学和生命科学的原理和方法构建具有生物活性的组织或器 官成为解决这一问题的理想途径，组织工程学因而应运而生。 ： 组织工程有两个研究目标：组织再生和器官再建。组织再生是通过形成 生物组织来替代发生病变的组织。生物组织可通过在体外培养自体或同种( 异 体) 细胞而形成；也可在体内用自体细胞来形成。这要求所用的材料为三维、 多孔、可吸收的模板以支持细胞的粘附和铺展。器官再建是用非降解生物材料 和自体或异体的细胞制造半人造的器官，即杂化人工器官或生物人工器官。因 此组织工程的研究内容在于对不同组织或器官中的细胞和组织工程材料的研 究。对细胞的研究，一方面研究间质组织、内胚层组织、外胚层组织中干细胞 的细胞生物学并将其应用到组织工程中；另方面，研究无抗原性的通用细胞。 方法有：用基因重组技术；用同种、自体或异种的组织进行移植，将这些组织 在体外分解成细胞，并进行培养，增殖后制成模板，进行构建。对材料的研究， 主要集中于如何将材料与活细胞建成组织工程构件，即具有生物功能的活性材 料。由于组织工程材料应具备最佳的材料与细胞界面反应效果，因此设计具有 化学分子水平、三维分子水平的细胞材料杂化界面，具有宏观三维分子水平、 符合生物力学要求的装置是组织工程材料研究的核心。 1 1 2 高分子在组织工程中的应用 高分子材料由于具有良好的物理机械性能、分子结构更接近于生物体而广 泛用作生物材料。作为组织工程材料，高分子的应用分两个方面，一是生物惰 性聚合物与细胞或组织复合，形成具有特定功能的聚合物生物组织杂化的人工 器官。高分子材料在这方面的应用有”】：多孔或编织状高分子用来支撑细胞或 给细胞的生长提供骨架( 图1 1 a 和b ) ：用来强化组织形成所必须的细胞一细胞 相互作用( 图1 1 c ) 或阻止诸如血栓形成等不希望发生的细胞一组织的相互作 用( 图1 1 d ) ；高分子膜( 图1 1 f ) 或高分子涂层( 图1 1 9 ) 能够保护被移植细 胞不受到免疫反应的影响；利用可移植的高分子药物输送装置可以将营养因子、 生长因子输送到人体内的指定位置( 图1 】e ) ；可用来引导和调节组织的反应( 图 1 2 ) ，例如在神经生长引导中，高分子引导装置能架在相邻受损神经的远端与 近端之间的缺口上，用来调节组织再生反应的引导装置可以通过将生长因子和 渤江大学博学位论文( 2 0 0 0 ) 第一章文献综述 蛋白质充入或固定在这些引导装置上来实现。二是，生物降解的聚合物与细胞 或组织的复合，聚合物起暂时支架的作用。在组织生长过程中，聚合物逐步降 解，最终获得与人体组织完全一样的组织。如将胶原多孔膜移植到体内，可促 进伤口愈合和皮肤再生。总之，高分子在组织工程领域发挥着重耍作罔。 ( a 1c o ) p _ p 一 8 f o o d i i o w i - h 5 e c r h 0 叶p r o d u c b 。v a s t e 卜一h f i g 1 lt h et y p e so fp o l y m e rt i s s u e - e n g i n e e r i n gd e v i c e si n c h c a t e d i n ( a ) ，( b ) c e l l sa r es u s p e n d e d w i t h i n e n t a n g l e dp r o t e i ng e l s ，o rp o l y m e r i cm e s h e s ，r e s p e c t i v e l y ( t h es c a l eb a ri ne a c hi m a g e i n d i c a t e s1 0umu n l e s so t h e r w i s en o t e d ) p o l y m e r i cd e v i c e sm a yb eu s e dt o e n h a n c ec e l l c e i j i n t e r a c t i o n s ，a si nt h ec a s eo f c e l l b i n d i n gr g di m m o b i l i z e dt ot h ee n d so fp o l y m e r i cc h a i n su s e d t op r o m o t ec e l i a g g r e g a t i o n ( c ) p o l y m e r sm a ya l s ob eu s e dt op r e v e n ta nu n d e s i r a b l ec e l l c e l l r e s p o n s e ，s u c h a s b l o c k i n gt h ea d h e s i o no fp l a t e l e t st oa r t e r i a lw a l l sf o l l o w i n ga n g i o p l a s t y 阳1 ( s c a l eb a r = 2 0um ) i n ( e ) ，d r u g s ，p r o t e i n sa n dg r o w t hf a c t o r sa r ed e l i v e r e dt ot i s s u e st h r o u g ht h e u s eo fad e g r a d a b l e p o l y m e r i ci m p l a n t i n ( f ) ，av a s c u l a rd e v i c es e p a r a t e sa t r a n s p l a n t e d c e l l c o n r a i n i n gc o m p a r t m e n tf r o mt h ea d j a c e n tc i r c u l a o r ys y s t e mt h r o u g ht h eu s eo fas e m i p e r m e a b l e p o l y m e rm e m b r a n e i n ( g ) ，c e l sa g es u s p e n d e dw i t hp o l y m e rc o a t e d c a p s u l e ( s c a l eb a r = 2 0um 、 3 塑竺鲨丝丝竺丝! 互! 羔燮 m ”o f g “u i k d e 。h il f i g1 2 n e r v eg r o w t hg u i d e ss e r v et ob r i n gt h ep r o x i m a la n dd i s t a ls t u m p so fi n j u r e dp e r i p h e r a l n e r v e si n t oc o r r e c ta l i g n m e n t t h et e x t u r ea n dh y d r o p h o b i cn a t u r eo ft h ep o l y m e r i cg u i d em a yb e u s e dt om o d u l a t et h er e s p o n s eo f t h en e r v et i s s u ew i t h i nt h e s ec h a n n e l s ， 1 2 组织工程材料的细胞相容性 组织工程中，材料具有细胞相容性是对组织工程材料的最基本要求。因此， 研究和开发适合细胞生长的组织工程材料对加速组织工程的发展和组织工程材 料的临床应用起着十分关键的作用。制备适合细胞生长的高分子材料，首先要 了解细胞材料的相互作用。由于生物组织活细胞与其周围环境相互作用复杂， 其机理迄今尚未明了。但可通过改变基底材料的性质来了解和研究细胞与聚合 物之间的反应。目前，材料的细胞相容性评价主要集中在两个层次：一是在简 化的模型表面上研究细胞的粘附、铺展、生长、导向和生物化学活性情况等； 二是将材料直接植入动物体内，间隔一段时间后取出观察其组织长入和囊性增 生等相容性情况。大量研究表明，材料表面的物理化学性质及材料表面的拓扑 结构会显著地影响细胞的粘附、铺展、生长、繁殖、生物化学活性和导向。 1 2 1 细胞的贴壁生长机理 多数体外培养的细胞具有贴壁生长的特性。生物学研究发现贴壁性细胞的 细胞膜表面存在着称之为整合素( i n t o ：g r i n ) 的受体，能特异性地识别细胞外基 质中的生长因子、贴壁因子、激素，如纤维粘连蛋白( f i b r o n e c t i n ，f n ) 、玻璃粘 连蛋白( v n ) 、层粘连蛋白( l a m i n i n ) 等，细胞以这些蛋白质为媒介，贴壁于 基底材料表面，然后才能铺展、分裂生长。细胞贴壁一般分为以下几个步骤 9 】：f 1 1 培养液、血清中的蛋白质，包括各种生长因子、贴壁因子、激素等吸附到基底 材料表面，形成蛋白质吸附层。( 2 ) 悬浮于培养液中的细胞在重力作用、碰撞作 用下，沉积到材料表面。( 3 ) 当细胞能在一定距离范围内与蛋白质吸附层发生分 子间作用力( 如氢键、疏水键、色散力、离子间或偶极间的静电力) 时，细胞贴 塑鲨堂兰竺i 全苎堡! 塑! 生二兰苎生! ! 鲨 壁于基底材料表面。( 4 ) 细胞在基底材料表面延伸铺展，其形态由圆球形变为圆 饼形，并伸出伪足，可沿支持物壁移动。最后细胞进行有丝分裂，生长繁殖。 图1 4 简略地描述了细胞在基底材料表面的贴壁过程。 ( 1 ) 吸附 ( 2 ) 接触 ( 3 ) 贴壁 f 4 ) 扩展 f i g 1 3p r o c e s s i o no fc e l la n c h o r a g eo nm a t e r i a l 1 2 2 材料表面物理化学性质对细胞相容性的影响 1 2 2 1 材料表面能 低表面能材料与活体组织之间大部分处于分离状态，表面粘附的细胞呈现 球形或近球形，粘附作用极弱。而高表面能材料的表面则可被活体细胞完全覆 盖，并呈现出扁平、拉长的形态，粘附作用很强。因此高表面能材料的表面更 有利于细胞的粘附与铺展1 1 0 l 。s c h a k e n r a a d 】等的实验结果表明材料的表面自由 能与细胞铺展、生长的关系呈反s 形。随着表面自由能增高，细胞粘附数目、细 胞繁殖生长能力有增大趋势。但仅当表面自由能超过一定值后，细胞的粘附、 生长情况才较好。 1 2 2 2 材料表面的亲疏水性 大量的研究表明亲水性的表面比疏水性表面有利于细胞生长。其机理目前 尚不清楚。由于细胞一材料关系的本质是细胞与材料表面蛋白质吸附层之间的相 互作用，因此，可以从f n 、冷析蛋白( c i o ) 等贴壁生长因子的吸附数量、结构重 组、构象变化等方面作一些机理上的探讨【1 2 _ ”】。以f n 为例，材料处于细胞培养 液、血清介质中时，吸附f n 等物质，在表面建立细胞作用点。亲水性表面的吸 附作用较弱，且吸附可逆，这就使吸附的f n 相对较易实现伸缩运动，进行结构 重组，形成纤丝样结构，这种结构与f n 基质微丝极相似，适合其生理功能的需 丝垡兰壁l 兰兰丝丝苎竺丝! 壁二兰墨型 要。此外，吸附层可被细胞生长过程中分泌的新的f n 所置换。而疏水性表面吸 附作用较强，吸附行为不可逆，f n 等不易发生结构重组。这不但对f n 完成生理 功能不利，而且强的相互作用对有丝分裂期间的脱丝不利【1 2 1 。 1 2 2 3 材料表面的电荷状况 一切脊椎动物细胞，在生理p h 下，表面都带有分布不均匀的负电荷。因 此，有理由认为带正电荷的材料表面与带负电荷的细胞之间的静电吸引作用有 利于细胞的粘附。通过研究聚合物表面的电荷状况与游走成骨细胞( m i g r a t i n g o s t e b l a s t ) 之间的相互作用发现无论表面带何种性质的电荷，细胞都能在其表面 生长，但形貌有很大区别1 1 6j 。细胞膜与带正电荷的材料表面之间是紧密粘附的， 细胞形态扁平：而细胞膜与带负电荷的材料表面之间则出现较明显的间隙，当 负电荷量较多时细胞也呈扁平状，当负电荷量较少时细胞呈站立状，细胞由大 量微突所支持。说明材料表面的电荷性质、电荷密度对细胞生长有重要影响。 然而负电荷的表面也能很好支持细胞的生长，这可能是因为培养基中含有阳离 子，通过蛋白质吸附层及阳离子的媒介作用，使得带负电荷的细胞在带负电荷 的材料表面也能较好地生长。b a l d w i n 等口】认为表面电荷和离子化基团影响细胞 的粘附和生长的本质在于，蛋白质如l a m i n i n 、f n 和n g f 等生长因子能被选择 性地吸附到带电或离子区域，从而调节细胞与表面之间的粘附。 1 2 2 4 材料表面的化学结构 聚合物材料表面的化学结构对细胞的粘附、生长是一个重要因素。一般认 为 17 - 2 2 1 ，砜基、硫醚、醚键等对细胞生长影响不大；刚性结构如芳香聚醚类不 利于细胞粘附；羧基、羟基、磺酸基、胺基、亚胺基及酰胺基等基团可促进细 胞的粘附和生长。其中羧基、羟基等含氧基团可通过调节表面的亲水性而促进 细胞的粘附和生长。磺酸基能模拟肝素的生理活性而显示出较好的促进细胞粘 附和生长的性质。含氮基团不仅能使材料表面带上一定的正电荷( 胺的阳离子 化) ，调节表面的亲疏水性，而且可以与蛋白质肽链发生官能团之间的作用， 从多角度来促进细胞的生长，这已成为促进细胞粘附和生长材料表面改性的一 个重要措施i ”】。 1 2 2 5 材料表面负载活性因子 细胞外基质( e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ) 及血清都是由非常复杂的蛋白质、生物 大分子和小分子组成的混合体系。其中含有对细胞粘附、生长、繁殖有促进作 浙江大学谤士学位论文t 2 0 0 0 ) 第一章文献综述 用的多种活性因子，因此把这些具有生理活性的因子固定到材料表面，或对材 料进行预涂沉积处理，可以为细胞的粘附生长提供理想的条件。常用的生长因 子、贴壁因子有f n 、l a m i n i n 、g p 3 ( e n t a c t i n ) 、胶原( c o l l a g e n ) 、多聚赖氨酸 ( p o l y d 。l y s i n e ) 、v n 、c i g 等i “”。 f n 是研究较多的因子，它来源于血清、结缔基质及细胞表面，是一种促进 多种细胞粘附生长的糖蛋白，分子量为2 0 0 ，0 0 0 2 5 0 ，0 0 0 。由于细胞在粘附生 长过程中并不能区分外源性f n 与内源性f n ，因此材料表面预涂外源性f n 后， 有利于细胞粘附生长 1 3 】。但预涂f n 费时、成本高，且这种“强制”性吸附面 临着培养体系中其它物质竞争吸附的挑战，吸附后的f n 分子可能会发生不利的 空间取向和构象变化，减弱甚至完全丧失对细胞的粘着功能。 进一步研究发现，促进细胞生长的主要因素是细胞膜上某种受体与吸附蛋 白质肽链上的特定序列发生特异性的相互作用。如来源于f n 、v n 、胶原等的 r g d ( a r g i n i n e g l y c i n e a s p a r t i ca c i d ) 序列和来源于l a m i n i n 的y i g s r ( t y r o s i n e - i s o l e u i n e g l y c i n e s e l l n e a r g i n i n e ) 序列吲。因此在高分子生物材料表面固定 r g d 、y i g s r 等特定肽段来提高其对细胞的粘附就成为一个有效手段悼，2 “j 。 1 2 3 材料表面拓扑结构的影响 众所周知，材料表面的拓扑结构，如材料表面的粗糙程度，i l 洞的大小及 其分布，沟槽的深度、宽度，纤维的粗细等，都会对细胞形态、粘附、铺展、 繁殖及活性有着重要的影响。表1 1 列出了几种拓扑结构对细胞相容性的影响。 m 细if e a m m f d 0 u e m q w0 酣t y p e 。蚍l l 】a r e f f e c tr c t y p e d i m e m ；i 【1 1自蒯 g r o o , n sp d m sms p ，5 e 目嘲季悒 r , 蛐r m l 坫u m 墨惜h 删啦簪o t i e r 蛐叽 2 5 , 1 0u m w i d t ha n d r i d g e m f i b r o b l n 盎 1 0 p m 口 0 5 p m 1 耐删 p 。b 日m0 5 p m w i 自hr l l d i o a r m y o fs p r a g u e -m m 】d e i 口p r i n 幽叫f r o ms e n n ,【划 o f 0 5 j o u m d 印凸 g r o o v e s 5u “p r u 刚c e d e c ”m a l k r 7 怒蜥“ l o r e m l 。i l e r v a l s r a t c a l a v a f i a l c e l l s g r o o v e st s c m 删v 5 - 8 0pmr 茸喊f 舢嘧删o b 删鲥o f t f i a t r i d g e s ；o e 啦口u d l 硎 m a j o r s p a c m g g m g r , 州删印哦蛐mr n a j , 。， g r t x w e5 - 1 2 0p m h d m a 盎m wg r o o d o f c c i 】si n e p o x y d e 吼m n 粤、髑 a b s e n c eo f m wg r o o v e s o f m r e m 2 u md e 碰叩6 n u 时“i 蚓i nr r l 带盯毋忙p a 姗 缸5 r 缸m a w r p h m 23 ，丘1 2l lme “g r o o v ea n d b a 1 i m 情no fb h ko d b 妇r b 瑚dw l h f 3 2 】 w i d t h d 辨w i d t h m d c kd 印小i x t td o c t o r e d 曲m o r n i n gw 珊1 0 2 n 甄1 1 0 , l9 c h i c ke m b r y ow d mb e d1 1 0e f f e c t m i x 2 kc e l l s ； c e m l 刊 a l