多孔阳极氧化铝表面有序纳米孔阵列对细胞及蛋白吸附行为的影响

生物材料表面纳米结构和表面生物化学性质一样,也强烈影响和控制着细胞的行为。细胞和材料间的相互作用受材料表面吸附蛋白种类和数量的影响，而蛋白质吸附过程又与材料表面纳米结构密切相关，因此研究材料表面纳米结构对细胞及蛋白质的吸附行为具有重要的意义。多孔阳极氧化铝是典型的自组装纳米孔阵列材料，拥有相对长程有序的纳米孔结构。本项目利用多孔阳极氧化铝纳米多孔结构的特殊性，在对材料表面纳米结构进行表型特征、化学成分测定基础上，重点研究这种有序纳米孔结构(孔径、孔深、孔间距、孔密度)对成骨细胞、成纤维细胞及平滑肌细胞形态、粘附、增殖、分化等行为的影响；并探索研究这种纳米孔结构对牛血清白蛋白及牛血清纤维蛋白原吸附的影响规律。期望通过本项目的实施，加深认识材料表面纳米结构与细胞及蛋白响应之间的科学规律，为发展由表面纳米孔结构调控的新型生物材料设计提供理论和实验依据。

生物材料表面纳米结构和表面生物化学性质一样，也强烈影响和控制着细胞的行为。细胞和材料间的相互作用受材料表面吸附蛋白种类和数量的影响，而蛋白质吸附过程又与材料表面纳米结构密切相关，因此研究材料表面纳米结构对细胞及蛋白质的吸附行为具有重要的意义。本项目利用多孔阳极氧化铝(PAA)表面纳米结构的特殊性，采用两步阳极氧化法，制备出直径可控且高度有序的纳米多孔结构，在对PAA表面理化性能分析的基础上，重点研究了PAA纳米孔径尺寸的变化对前成骨细胞(MC3T3-E1)、小鼠成纤维细胞(L929)及人脐静脉血管内皮细胞(hUVEC)三种细胞行为的影响，同时考察了牛血清白蛋白(BSA)和牛血纤维蛋白(FN)在不同孔径PAA表面的吸附和释放行为。细胞实验结果揭示：PAA表面纳米结构具有化学稳定性和可调性。MC3T3-E1、L929及hUVEC对同种纳米多孔结构的响应存在明显差异。虽然PAA表面纳米结构的早期生物学效果不理想，但PAA较大孔径结构(75 nm, PAA75)促进了MC3T3-E1细胞后期的增殖及碱性磷酸酶(ALP)的表达，且相对于较小孔径的结构(25 nm)，表现出良好的亲和性和早期成骨活性。小孔径有序纳米结构(25、50、65)对L929早期黏附有抑制作用，且孔径的变化对L929的增殖行为的影响并不明显。此外，PAA75能够显著促进hUVEC早期黏附，但不同尺寸的PAA对细胞增殖影响无显著性差异。蛋白吸附及释放实验结果揭示：与平滑铝相比，PAA能够显著提高BSA和FN两种蛋白质在其表面的吸附，且通过改变孔径的尺寸能够调节其表面对两种蛋白质的吸附能力。FN在PAA75表面的饱和吸附量高于BSA，最大吸附量分别达到61.1 μg/cm2 (FN) 和39.4 μg/cm2 (BSA)。两种蛋白质在PAA表面的吸附行为符合Langmuir等温吸附模型。蛋白在PAA表面的释放行为分为突释和缓释两个阶段。BSA在不同尺寸PAA表面的释放速度无显著性差异，但可以通过改变PAA孔径尺寸来调节FN的释放速度。本项目研究结果表明PAA表面有序的精细纳米小孔径结构有效地调节了材料表面的亲水性、粗糙度及蛋白质吸附能力，从而最终影响了细胞的行为。三种细胞以不同方式响应了PAA表面有序纳米多孔结构。本项目研究成果可为表面由纳米孔结构调控的新型生物材料表面改性设计提供理论和实验依据。