基于控制挥发自组装过程的埃洛石纳米管有序表面的构建及其诱导细胞取向生长的研究

Understanding the dispersion and self-assembly behavior of one-dimensional nanomaterials is very important for bringing their superiority into full play and building nanoscale devices. Halloysite nanotubes (HNTs), possing good water dispersion and excellent biocompatibility, is a new class of one-dimensional inorganic nanoclay material. Building the ordered structure of HNTs is the common problem of researchers, which also decides the persistence of the related research and is critical for developing their applications. On the basis of preliminary studies, the project proposes to build HNTs ordered surface via controlled evaporation self-assembly method for guiding the growth of cell orientation. The influence of size, structure, and surface properties of HNTs on the dispersion and assembly behavior will be studied. The dependence of liquid crystal properties and rheological properties of HNTs aqueous dispersions on the concentration, temperature, force field and other conditions will also illustrated. The effect of the surface properties of HNTs and the volatile limited space on the ordered structures will be investigated. The laws and mechanisms of HNTs ordered surface guiding fibroblasts, osteoblasts, myoblasts different cell epitaxy will be clarified. The results will lay the theoretical foundation and experimental evidence for HNTs application as material scaffolds in oriented cellar growth and cell sorting nanoscale devices.

对一维纳米材料的液体分散和自组装行为的理解对发挥其性能优势和构筑纳米器件非常重要。埃洛石纳米管(HNTs)是新型的粘土类一维无机纳米材料，具有良好的水分散性和生物相容性，其有序结构的构建是研究者面临的共性难题，也是决定相关研究能否持续和开发其实际应用的关键问题。在前期研究的基础上，本项目提出了用受限挥发自组装法构筑HNTs有序表面并用于引导细胞取向生长的课题，将阐明HNTs尺寸结构、表面性质对其液体分散和组装行为的影响机制，研究其水分散液的液晶性质和流变性质的浓度、温度、力场等条件的依赖性。构筑不同受限挥发空间制备具有可控取向结构的HNTs有序表面，研究HNTs结构性质对形成有序结构的影响。阐明HNTs有序表面引导成纤维、成骨、成肌等细胞的取向生长的规律和机制。研究结果将为HNTs在可引导细胞取向生长的组织工程支架材料或细胞分选纳米器件等领域的应用奠定理论基础和实验依据。

一维纳米材料如纳米管、纳米棒、纳米线具有高的长径比和独特的性质，因此研究其液体分散和自组装行为，并以此为基础构筑纳米功能器件具有重要的意义。埃洛石纳米管是新型的粘土类一维无机纳米材料，具有良好的水分散性和生物相容性，其有序结构的构建是研究者面临的共性难题，也是决定相关研究能否持续和开发其实际应用的关键问题。在前期研究的基础上，本项目提出了用受限挥发自组装法构筑埃洛石有序表面并用于引导细胞取向生长和细胞捕获，阐明了埃洛石尺寸结构、表面性质对其液体分散和组装行为的影响机制，研究了水分散液的液晶性质和流变性质的浓度、温度、力场等条件的依赖性。构筑了小口径玻璃管、狭缝、球-板、金字塔-板等不同受限挥发空间，可控制备了具有可控取向结构的纳米有序表面，研究了埃洛石结构性质对形成有序结构的影响。阐明了构筑的纳米有序表面引导成纤维、成骨、成肌等细胞的取向生长的规律和机制，明确了其对癌症细胞的捕获能力。这些研究结果为埃洛石在可引导细胞取向生长的组织工程支架材料或生物样本检测纳米器件等领域的应用奠定了理论基础和实验依据。此外，以埃洛石为纳米载体，制备了化学药物和基因药物的纳米包封体系，评价了材料的细胞毒性和体内抗癌效果。开展了埃洛石的荧光标记及其细胞毒性研究，通过斑马鱼模型评价了体内的毒性和体内代谢行为。开展了通过喷涂法制备埃洛石粗糙表面的研究，并将疏水的埃洛石制备了超疏水涂层和油水分离器件。通过引入多巴胺将埃洛石涂覆在3D打印的聚乳酸阵列上进而引导细胞取向等。项目执行期间项目负责人以第一或通讯作者发表项目相关SCI论文12篇，杂志包括ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry B、Langmuir、Chemical Engineering Journal等，其中3篇论文被选为Journal of Materials Chemistry B和Langmuir的封面。参加项目相关的全国性学术会议4次，其中1次担任分会场主持，并做口头报告4次。项目期间负责人受到国家留学基金委公派到美国做高校进行访问学者6个月。项目培养研究生3人，其中2人已经获得硕士学位。