类金刚石薄膜与细胞界面关键血清蛋白动态贴附行为机制研究

Owing to its superior biological and mechanical properties, diamond-like carbon (DLC) film has emerged as promising layer for biomedical devices. Yet quality control and bio-safty of DLC films has been one of the major challenges limiting their extensive applications. Clarification at molecular level of the interactions between DLC film and cells is the key to solving the problems. It is virtually known that upon contact of cells or tissues with biomaterials, initial absorption and associating conformational changes of serum proteins takes place as the initial event particiating in the mateiral-cell interactions. This project aims to reveal the effect of the characteristics of the DLC films on dynamic adsorption behaviors of key serum proteins and subsequent cell behaviors. The DLC films are to be fabricated with controllable micro-/nano- structrues through element doping and surface functionalization. Both graphene films and nano-diamond films will also be produced for the investigation. The dynamic adsorption of the proteins will be monitored by high-speed time-lapse AFM and the single particle electron microscopy technique is used for reconstructing 3D structures of the proteins. This research is anticipated to give clear insights into design and fabrication of DLC films with appropriate performances for biomedical applications.

类金刚石（diamond-like carbon, DLC）薄膜拥有优良的力学和生物学性能，具备广阔的生物应用前景，解决尚存在的薄膜可控制备及其生物安全性等问题是目前的研究重点，而从分子水平阐明DLC薄膜与细胞界面的生物学过程是解决上述问题的关键。本项目通过元素掺杂、表面功能化等手段调控制备具有不同结构特征的DLC薄膜，结合石墨烯和纳米金刚石薄膜对照组，采用高速延时摄像原子力显微镜和单颗粒电镜技术对薄膜表面吸附的典型血清蛋白的动态行为和三维结构进行表征，并研究人体成骨细胞在薄膜表面行为，从而揭示影响关键血清蛋白贴附和后续细胞行为的DLC薄膜关键结构和表面物理化学特性，最终建立典型碳纳米材料表面结构特征、贴附蛋白构象变化和细胞行为三者之间的系统关系，为DLC薄膜的结构设计与可控制备和薄膜表面细胞行为的调控提供基础数据。

类金刚石（diamond-like carbon, DLC）薄膜拥有优良的力学和生物学性能，具备广阔的生物应用前景，解决尚存在的薄膜可控制备及其生物安全性等问题是目前的研究重点，而从分子水平阐明DLC薄膜与细胞界面的生物学过程是解决上述问题的关键。本项目通过元素掺杂、表面功能化等手段调控制备具有不同结构特征的DLC薄膜，采用原子力显微镜和单颗粒电镜技术对薄膜表面吸附的纤连蛋白、玻连蛋白、胶原蛋白、免疫球蛋白等典型血清蛋白的动态行为和结构进行可视化表征，并研究人体成骨细胞在薄膜表面行为。揭示了材料的表面氨基和羧基等官能团的电荷特性显著影响碳膜表面吸附玻连蛋白的结构及细胞结合位点暴露程度。在DLC薄膜表面，胶原蛋白形成长纤维和相互交织的折叠纤维簇结构，纤连蛋白呈纤维构象，免疫球蛋白呈垂直构象将其细胞结合域暴露在DLC膜表面。蛋白质在DLC表面吸附显著降低了膜的表面电位，对表皮葡萄球菌和大肠杆菌的细菌粘附均有抑制作用。此外，巨噬细胞的粘附和吞噬作用在很大程度上是由被吸附的蛋白质通过其改变的构象来引导的。以本项目的理论成果为指导设计、构筑、制备了系列新型生物材料。其中包括经过掺杂Cu或者Ag的类金刚石薄膜具有优异的抗细菌黏附和杀菌率100%的生物性能。材料表面特性显著影响表面吸附的蛋白分子结构，生物小分子的结构决定其功能，进而显著影响后续生物细胞的黏附、铺展和定殖，本研究最终建立了材料表面特性-吸附生物分子结构-细胞行为的系统关系，为DLC薄膜的结构设计与可控制备和薄膜表面细胞行为的调控提供基础数据。