聚合物表面微结构调控及其对蛋白质、细胞微观粘附行为的影响规律

The microstructure of the material surface influences the adhesive behavoir of protein/cell on the surface. However, the mechanism of adhesion of protein/cell and control of microstructure on adhesion are unclear until now. In this proposal we choose a single micro/nanofiber as a model to study the adhesion between fiber and protein/cell. The nano/microfibers of degradable polyester and styrenic copolymer are fabricated by electrospinning technique and the microstructure is controlled by adjusting surface topological structure, introduction of chemical groups and biomacromolecules. The adhesion and adhesion energy are directly measured by atomic force microscope to investigate the adhesive behavior at the molecular level. In addition, the adhesion between polymer film and protein/cell is compared with that between micro/nanofiber and protein/cell, which facilitates establishing the relationship between microstructure and adhesion. This proposal will not only pave the way to study the adhesion between protein/cell and materials to explore the nature of adhesion, but also provide theoretical and practical guidance for designing the surface with smart and oriented adhesion.

材料表面微结构影响蛋白质和细胞在其表面的粘附行为，但材料表面调控蛋白质和细胞粘附行为的分子机制以及蛋白质和细胞的微观粘附机理至今仍不清楚。本项目拟采用单根聚合物微、纳米纤维作为模型材料，构建蛋白质、细胞与材料之间的粘附模型。主要以可降解聚酯和苯乙烯类聚合物为原料，聚合物纤维通过电纺丝方法制备，通过改变表面拓扑结构、引入化学基团和生物分子三种方法调控表面微结构。利用原子力显微镜直接测定蛋白质、细胞在纤维表面的粘附力、粘附能，把材料表面的微结构调控和粘附行为的定量分析结合起来，系统研究蛋白质、细胞在纤维表面的微观粘附行为；同时以聚合物膜为对比材料，进而揭示材料表面微结构调控蛋白质、细胞在其表面粘附行为的分子机制。本项目不但有利于建立蛋白质、细胞微观粘附行为的研究方法，而且有利于认识蛋白质、细胞的粘附本质，为设计智能粘附和定向粘附的材料表面提供理论指导和实践支持。

蛋白质和细胞在生物体表面粘附是自然界普遍存在的现象，也是生物体生理功能的基础。生物体表面微结构影响蛋白质和细胞在其表面的粘附行为，但表面结构对蛋白质和细胞粘附行为的调控机制以及蛋白质和细胞的微观粘附机理至今仍不清楚。本项目以苯乙烯类热塑性弹性体为基体材料，以聚己内酯和聚乙二醇等聚合物为基体改性材料，采用静电纺丝和表面微图案方法制备了微纳结构可控的聚合物材料表面；并系统研究了蛋白质和细胞在此表面的粘附行为和动力学，揭示了蛋白质和细胞在材料表面的微观粘附机理；最后，制备了高生物相容性的医用材料，验证了粘附机理的正确性。通过本项目研究，我们建立和完善了化学改性和生物改性对聚合物表面微结构调控的方法，阐明了聚合物微结构对其化学性能、生物性能和生物相容性的影响规律，揭示了蛋白质和细胞在材料表面的微观粘附机理，建立了调控蛋白吸附和血细胞定向粘附的表面设计方法，最终设计和制备了生物相容性材料表面。本项目研究，共发表SCI论文16篇，中文综述1篇，获授权专利2项，参加国内会议3次，国际会议3次，其中2次邀请报告。研究成果被国内外学者广泛关注。其中《高生物相容性医用材料的设计与制备》这一研究成果已经与山东威高企业进行合作，代表性产品，留置针外周套管处在研制阶段。