聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面修飾及在細胞培養中的應用

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(1.北京服裝學院 材料科學與工程學院，北京 100029；2.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；3.北京航空航天大學 生物與醫學工程學院 生物力學與力生物學教育部重點實驗室，北京 100191；4.北京航空航天大學 生物醫學工程高精尖創新中心，北京 102402)

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一種有機硅材料，其主鏈由Si-O鍵構成，空間上呈螺旋形。作為一種高分子有機硅化合物，PDMS由于其具有電絕緣性，生物相容性，彈性，耐熱性，較高的化學惰性以及成本低廉許多特性，在很多領域得到了廣泛的應用，比如建筑、航空航天、生物醫療、電子電器等[1]。近年來，具有微納米尺度可加工性優異性能的PDMS已經發展成在生物微流控領域最為受歡迎的基底材料，同樣在細胞體外培養方面的應用也極為廣泛。但是，普通制作的PDMS表面具有疏水性，這對細胞的粘附和生長極為不利[2]，而且，生物組織細胞與基底材料表面直接接觸，基底表面的特征性能是引起生物組織細胞發生反應的直接因素。因此，對PDMS表面進行表面修飾以達到實驗研究和性能優化的目的，是一個極為重要的研究方向。這包括對PDMS進行表面改性使其由疏水性變為親水性，同時，在賦予PDMS表面親水性的基礎上，對其進行圖案化，比如改變其形貌，硬度等特征。

1 表面改性

對于PDMS的表面改性，目前已研究發展出了很多種方法。主要有等離子處理，紫外輻射處理，硅烷化，接枝共聚法，動態表面改性法等。這些方法各有優缺點。等離子處理法操作十分簡單，并且能夠快速改善PDMS表面的親水性，是修飾改性應用最為廣泛的一種方法之一，但是這種方法也有一個很大的缺陷，即經過等離子處理之后的PDMS表面在很短時間內便會發生疏水復原，表面由親水重新變得疏水[3]。紫外輻射處理的優點在于能量低，在處理改性過程中不會使PDMS的表面發生大的機械性能變化，紫外處理的缺點在于，時間較長，且只在氣相有氧的環境中效果更好[4]。硅烷化和接枝共聚法是將PDMS與有機試劑接觸反應，將親水基團修飾到材料表面，這種處理方法得到的親水表面能夠維持較長時間，疏水復原時間相對長，但是缺點是操作繁瑣，且需要一定時間[5]，并可能會對后期在PDMS表面進行培養的細胞狀態產生影響。動態表面改性法是用表面活性劑、蛋白質或者離子液體等對PDMS進行涂層表面修飾，這種方法簡便經濟，但是表面活性劑和離子液體處理的材料表面親水性維持時間較短，且可能會在細胞培養中與與培養基發生反應，影響細胞生長，而蛋白質吸附得到親水性表面則要求無菌和無蛋白質降解酶的環境。最近，也有學者在改善親水性的同時，試圖賦予PDMS表面更多的優異性能。Jiao J等在PDMS表面涂上中草藥提取物--丹皮酚，改變了PDMS表面的潤濕性和元素組成。PDMS表面抑制接觸面細菌生長，促進非癌癥哺乳動物細胞低毒性生長；同時，癌細胞的生長明顯受到抑制[6]。

在細胞培養過程中，無菌環境是必須的，且細胞培養一個周期較長，大概需要3～4天。因此，在綜合比較了各種PDMS表面親水性改性的方法后，選用了等離子處理和動態表面改性兩種方法相結合對PDMS表面進行修飾改性。先用小型離子濺射儀對PDMS處理3次，每次1～2 min，之后將PDMS在0.1%的明膠(一種膠原蛋白部分講解之后的產物，具有良好的生物相容性)中于37℃無菌條件下孵育30 min。對經過如上處理之后的PDMS表面進行接觸角測量，發現其接觸角由原始的110°左右下降到30°左右。且在4～5天里能夠維持一個較好的親水性，滿足細胞的體外培養。

2 表面圖案化

細胞體外培養時時與基底直接接觸的，基底的硬度、表面幾何形態等對細胞的生長起到了一定的調控作用。目前，對PDMS表面進行圖案化處理的方法主要有刻蝕技術，軟刻蝕技術，納米壓印技術等。 刻蝕技術是通過利用紫外光、激光、X射線、電子束等的高能量源，在掩模板的輔助作用下，有選擇性的去除材料表面特定區域的物質，從而得到具有拓撲結構的材料表面[7]。目前實驗室條件下，紫外光刻蝕的應用較為廣泛，原因是其對實驗條件的要求相對寬松，操作簡便，能夠得到亞微米級的圖案[8]。軟刻蝕改進了傳統刻蝕技術的很多缺陷，且PDMS表面具有易加工的特性，通過模板復刻，能夠更加簡便的得到想要的材料表面，在圖案化過程中應用廣泛。納米壓印技術是通過納米材料的在材料表面的沉積和吸附，不需要能量束的參與即可得到納米尺寸的圖案，具有低耗高產的優勢[9]。

隨著技術的發展，研究人員在研究基底對細胞增殖生長等的影響時，已經不再滿足于探索基底的二維結構，三維結構對細胞的影響已經成為一個熱門研究方向。Moghadas等改良制備了適合三維細胞培養的電紡聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜/支架，他們成功地在這些膜上培養了上皮肺癌細胞，證明其適合細胞培養應用[10]。Mayer M等通過在PDMS基底內部嵌入磁性微粒，實現了在磁場作用下基底彈性的動態變化，發現人類原代成纖維細胞中平滑肌肌動蛋白的表達具有彈性依賴性[11]。Zargar R等采用氣體發泡與顆粒浸出相結合的方法，以NaHCO3為發泡鹽，NaCl為起始劑，形成三維PDMS海綿。采用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷進行表面化學修飾，在多孔PDMS基質上培養內皮細胞。結果表明內皮細胞對制備的PDMS海綿有積極的反應[12]。

我們將細度均勻的鋼絲緊密排列制成初始模具，將PDMS凝膠澆注其上，得到了帶有三維凹曲面的PDMS表面，同時以得到的凹曲面PDMS為模板，復刻得到帶有三維凸曲面的PDMS曲面，在這兩種曲面基底上培養小鼠胚胎干細胞，并與平面PDMS基底對比發現，凹曲面和凸曲面均能在一定程度上幫助小鼠胚胎干細胞維持其多能性。但是具體作用機理還不清楚，我們猜測這可能與細胞和基底之間所產生的粘附力有關。

3 結論與展望

PDMS因其獨特的化學物理性能，在細胞培養中應用廣泛。其表面修飾的方法，包括表面改性和圖案化都已有很多的研究，并對細胞的體外培養和實驗研究起到了很大的促進作用。但是表面改性的疏水復原問題還沒有得到很好解決，表面圖案對細胞生長產生影響的作用機理尚未為被揭示。這為材料和生物兩大領域及其交叉學科的未來研究提供了一個方向。