仿癌细胞的高选择性生物识别界面材料制备与性能研究

The early diagnostic technologies of cancer raise difficulties and challenges for designing and fabricating biointerfacial materials with high selectivity. Based on structure matching principles, this project developed cancer cell-inspired biointerfacial materials through bioinspired mineralization methods for specifically recognizing rare circulating tumor cells in blood samples. Firstly, by altering a series of factors such as biomineralization temperature, time and reactants ratio, cancer cell-inspired interfacial materials can be synthesized by exploring mineralization features of cancer cells. Secondly, by selecting cancer cells with different surface structures as biological templates, we can explore the influence of structures and stiffness of materials on specifical recognition of different cancer cells. Finally, the introduction of stimuli-responsive molecules endows biointerfacial materials with smart capture and release of target cells under complex environments. This project broadens the design and fabrication of bioinspired inorganic interfacial materials and provides new avenues for preparing new efficient bioinspired interfacial materials.

癌症早期诊断技术对高选择性生物界面材料的设计和制备提出了难题和挑战。受癌细胞表面微结构启发，本项目拟基于结构匹配的原则，通过仿生矿化方法制备仿癌细胞生物界面，用来高选择性的识别血液中微量的循环肿瘤细胞。首先，通过控制矿化温度，时间和反应物的比例等条件，研究癌细胞表面矿化的微变规律，合成仿癌细胞生物无机界面。其次，选择具有不同表面结构的癌细胞作为生物模板，研究材料结构和硬度等因素对不同癌细胞选择性识别的影响。最后，通过引入响应性分子，实现在复杂的外界环境下，对靶向细胞响应性的捕获与释放。本项目将拓宽仿生界面材料的设计和制备方法，为制备新型高效的仿生界面材料提供了新的研究思路。

随着肿瘤发病率和死亡率不断走高，癌症已成为威胁居民健康的头号杀手。相比于传统的切片等检测方法，循环肿瘤细胞的检测作为一种非侵入性的检测，有助于发现外周血循环系统中的肿瘤细胞，其精确计数以及分子标记对于肿瘤患者的术后诊断、疗效评价以及个体化治疗均有重要的指导作用，它为医生提供了一个监测癌症治疗效果的重要途径。然而，循环肿瘤细胞在血液中的含量非常稀少，很难通过常规方法将循环肿瘤细胞从血液中分离出来并加以检测。因此，如何分离血液中痕量的循环肿瘤细胞一直是一个世界性的难题！ .申请人受癌细胞自身易于粘附聚集启发，设计了用于癌症诊断的高选择性生物界面材料。本项目研究工作主要围绕以下四个方面展开：1）基于仿生理念，利用结构与化学组成对细胞粘附的协同影响，实现了对目标癌细胞高效特异性的识别与捕获；2）系统地研究了表面电荷、浸润性等变化对细胞粘附的影响，有效的抑制了对非特异性细胞的粘附；3）通过调控外界条件，实现了对细胞可控的粘附与去粘附；4）归纳、总结了光响应性聚合物材料的特性，对细胞的粘附与去粘附界面材料的设计提供理论指导。.在该项目支持下，共发表SCI 论文 17篇, 专利1项。其中，申请人以第一作者或通讯联系人发表 SCI 论文 10篇，影响因子大于3的7篇，影响因子大于7的4篇。代表性结果叙述如下：1）不同微纳米结构的癌细胞与其矿化材料之间的存在着较强的拓扑作用，证明了拓扑作用与分子识别可以协同影响，达到增强目标癌细胞捕获效率的目的；2）系统的探讨细胞在具有不同浸润性梯度表面的粘附谱图，阐明了浸润性对于细胞粘附的影响；3）电化学响应的纳米结构的表面用于高效的细胞捕获和释放同时保持极低的非特异性细胞粘附。通过调节噻吩派生物的取代基，可以调节表面浸润性呈现超亲水状态，有效的降低非特异性细胞粘附。