外场诱导微纳二氧化钛复合薄膜表面生物分子选择性脱附的研究

This project aims at stimulation-induced selective biomolecules detachment on the surface of biomaterials. Based on the effects of biomolecules in cells attachment on materials' surface, selective detachment of biomolecules from a biomaterials' surface could make great contributions in biomaterials research and application. Based on the successful preparation of photo-responsive micro/nano titanium dioxide composite films on conductive surface, we propose to investigate the selective biomolecules detachment behaviors on the composite films. Hopfully, titanium-dioxide-nanodots/titanium-dioxide-nanorods composite films with proper photo and electric induced biomolecules detachment properties could be realized through this project. The main research works in this project include: synthesis of titanium-dioxide-nanodots/titanium-dioxide-nanorods composite films; the relevance investigation of surface properties and microstructures of the composite films; the biomolecules absorption and desorption behavior of the composite films,as well as their responses to photo and electric; in vitro investigation of biomolecules detachment through cell culture and bacteria culture; in vivo test of biomolecules detachment on the performance of implants and etc..It is expected that this project could make great contributions in both the developments of cell sheet researches and high-performance implants.

本项目针对高性能生物材料研究需要解决的诱导生物材料表面所附着的生物分子进行选择性脱附这一关键科学技术问题，依据生物分子在组织细胞与生物材料结合中的作用原理和对光场、电场响应原理，结合纳米二氧化钛的光响应特性，利用溶胶凝胶分相自组装和水热生长可分别在基板表面制备出二氧化钛纳米点和纳米棒薄膜的特性，创新地提出构建由导电层和二氧化钛纳米点/纳米棒复合层构成的复合薄膜，研究其表面生物分子在光场和电场作用下选择性脱附的行为和影响因素，进而通过体外培养和体内植入等方式对其进行评估和研究。研究内容包括：具有导电层的基板表面微纳结构二氧化钛纳米点/纳米棒复合薄膜的制备；表面特性与微观结构相关性；表面生物分子吸附和脱附以及光、电外场响应特性；外场诱导生物分子选择性脱附的体外及体内实验评价等；本项目为细胞薄层以及高性能植入体等领域的研究提供了新的思路，对生物医学工程和再生医学研究有着重要的理论和实践意义。

本项目针对高性能生物材料研究需要解决的诱导生物材料表面所附着的生物分子进行选择性脱附这一关键科学技术问题，依据生物分子在组织细胞与生物材料结合中的作用原理和对光场、电场响应原理,着重开展了以下几方面的研究：.1微纳结构TiO2薄膜制备及优化、表面特性与其与薄膜微纳结构相关性、表面生物分子吸附和脱附及其外场响应性、表面生物相容性及外场响应细胞脱附研究；.2基于聚多巴胺薄膜、聚多巴胺/二氧化钛复合薄膜的光场、电场响应生物分子脱附研究；.3基于聚吡咯、生物分子聚吡咯复合涂层的电场响应生物分子脱附研究；.研究结果显示，通过二氧化钛微纳结构薄膜的微纳结构、晶相、光生载流子复合抑制等手段可以有效地调控光场作用下表面吸附蛋白分子的脱附，其机制在于光致表面电荷变化引起的吸附的结合层蛋白分子构象的变化、进而引起外层蛋白分子与结合层蛋白分子结合状态的变化，最终引起外层蛋白分子脱附；而采用电刺激方式可以有效地调节聚多巴胺膜的处于氧化态或还原态，从而改变其表面与生物分子的结合方式，从而有可能实现电场调控的生物分子脱附。采用聚多巴胺粘结的方式获得的聚多巴胺/二氧化钛复合涂层已经显示出光致的生物分子脱附行为，其电场脱附的行为有待进一步研究；采用电化学共沉积方式可以有效地实现蛋白质与多糖分子与聚吡咯形成共沉积涂层，这种涂层在电场作用下可以实现蛋白质分子与多糖分子在正、负电压下的选择性释放。其释放机理可能与体积效应与微区pH值的变化有关。.本项目为高性能植入体的设计以及细胞薄层组织工程等领域的研究提供了新的思路，对生物医学工程和再生医学研究有着重要的理论和实践意义。