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刺激响应性水凝胶辅助构建的便携式生物传感器及其应用

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刺激响应性水凝胶辅助构建的便携式生物传感器及其应用

作者：台文君山东大学

学位级别：硕士

刺激响应性水凝胶是一种能够对外部刺激做出响应的智能材料。基于凝胶-溶胶的相转变,已开发了多种检测方法,但这些方法通常存在操作步骤复杂、需要依赖于大型仪器设备和专业技术人员等问题。便携式传感器是一种操作简单、成本低廉的定... 详细信息

刺激响应性水凝胶是一种能够对外部刺激做出响应的智能材料。基于凝胶-溶胶的相转变,已开发了多种检测方法,但这些方法通常存在操作步骤复杂、需要依赖于大型仪器设备和专业技术人员等问题。便携式传感器是一种操作简单、成本低廉的定量设备,极大地满足了即时检测(POCT)的需求。鉴于此,本论文旨在以刺激响应性水凝胶辅助构建便携式生物传感器,并提出多信号输出方式以提高检测结果的准确性,为开发适用于POCT的便携式生物传感器提供了新的方法和思路。论文主要分为以下四个部分:第一章首先简介了水凝胶的概念及分类,重点介绍了刺激响应性水凝胶的分类与应用,然后综述了便携式传感器在国内外的研究进展,主要介绍其信号输出方式及应用领域。在此基础上提出了本论文的选题思路。第二章构建了一种海藻酸铜(Cu-Alg)水凝胶介导的纸基比距传感器,根据凝胶-溶胶相转变过程中的粘度变化导致体系在pH试纸上流动距离的差异,进而实现检测碱性磷酸酶(ALP)和甲胎蛋白(AFP)。利用Cu-Alg水凝胶对焦磷酸根(PPi)的响应性以及ALP对PPi的水解作用实现了对ALP的检测,检测限(LOD)为1.7 mU/mL。在此基础上,以ALP为标记酶,构筑了一种以距离为读出信号的纸基免疫传感器,用于检测AFP,检测限为0.8 ng/mL。该传感器还成功检测了实际样品(人血清)中的ALP和AFP,在相关疾病的早期临床诊断和病理研究等方面具有广阔的应用前景。第三章以包埋生物酶和3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)的明胶水凝胶辅助构建了一种多模式(颜色、温度和距离三种信号输出)便携式传感器,用于快速灵敏地检测葡萄糖。将辣根过氧化物酶(HRP)、葡萄糖氧化酶(GOx)和TMB包埋到明胶水凝胶中。当葡萄糖存在时,产生的oxTMB具有蓝色信号和光热效应,此时葡萄糖的浓度与反应体系的颜色和温度信号之间分别建立对应关系,据此可以实现检测葡萄糖,其检测限分别为1.3 μM和1.5μM。此外,基于明胶的温度响应和凝胶-溶胶相转变等特性,将反应体系的温度信号与其在pH试纸上的流动距离建立对应关系,由此也可以检测葡萄糖,检测限为1.6 μM,接近于通过颜色信号和温度信号得到的检测限。该多模式便携式生物传感器具有特异性高、输出模式多样化等优点,对于糖尿病的早期诊断与家庭护理具有潜在的应用价值。第四章基于二氧化锰纳米花(MnO2 NFs)和明胶水凝胶开发了一种多模式(颜色、温度和距离三种信号输出)的便携式免疫传感器,用于检测癌胚抗原(CEA)。该传感器将捕获抗体固定在纸基底上,并先后与CEA和MnO2 NFs标记的检测抗体相结合形成夹心式复合物。MnO2 NFs催化TMB产生的oxTMB不仅能够产生颜色信号还具有光热效应,从而能够实现基于颜色和温度信号来检测CEA。此外,将明胶水凝胶与该体系相结合,由于明胶的温度响应性及凝胶-溶胶相转变导致其在pH试纸上产生一段水流距离,进而也可以实现对CEA的检测。基于这三种信号得到的检测限比较接近,分别为1.4 ng/mL、1.5 ng/mL和2.5 ng/mL。采用该策略所构筑的生物传感器不仅制备步骤简单、成本低廉、三种信号相互补充,并且可以通过MnO2 NFs修饰不同的检测抗体,为目标物的检测提供一种通用的方法。

关键词：刺激响应性水凝胶凝胶-溶胶转变便携式传感器生物标志物多模式

基于壳聚糖季铵盐的刺激响应性水凝胶的制备与研究

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基于壳聚糖季铵盐的刺激响应性水凝胶的制备与研究

作者：魏浩杰武汉理工大学

学位级别：硕士

具有刺激响应性的水凝胶广泛应用于生物医用、能源和农业等多个领域,常见的天然基刺激性响应水凝胶的基材有DNA、蛋白质、多肽和多糖。壳聚糖作为天然碱性多糖,在生物制药和食品包装行业用途广泛,但较差的溶解性限制了其使用范围。壳聚... 详细信息

具有刺激响应性的水凝胶广泛应用于生物医用、能源和农业等多个领域,常见的天然基刺激性响应水凝胶的基材有DNA、蛋白质、多肽和多糖。壳聚糖作为天然碱性多糖,在生物制药和食品包装行业用途广泛,但较差的溶解性限制了其使用范围。壳聚糖季铵盐作为壳聚糖的水溶性衍生物,具有良好的抗菌性和组织相容性,但壳聚糖季铵盐仍缺乏足够的刺激响应性,无法在外界刺激的影响下发挥左右。光是最常见的刺激源之一,光热材料是一类能够在特定波长光的照射下将光能转换为热量的光敏材料,单宁酸-铁络合物来源天然,合成简便,具有良好的光热作用,可以在近红外光的照射下快速升温。温度刺激的控制难度更低,聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶作为温敏性智能材料研究中的热门选择,具有接近体温的相转变温度,在药物释放、组织工程和生物传感方向都有着深入研究,但其缺乏足够的生物活性,因此同样需要功能化改性。本文进行合理搭配和设计,首先基于壳聚糖季铵盐、单宁酸和铁离子,开发了一种高效的光热抗菌水凝胶。在此之后,开发了一种负载生物活性因子的PNIPAM/壳聚糖季铵盐基水凝胶,该水凝胶同时具备骨缺损修复过程中所需的抗炎、促修复和重塑功能。具体研究内容如下:(1)首先以壳聚糖季铵盐为基材,通过其与单宁酸-铁络合物的物理作用,制备了新型光热抗菌水凝胶,利用红外光谱、紫外光谱和核磁共振氢谱对其进行了结构表征,SEM、溶胀性和水蒸发率结果显示水凝胶的交联程度随着Fe浓度的上升而增大,并且由于Fe的引入,导致水凝胶的粘附性发生变化,同时光热转化测试显示水凝胶具有良好的光热性能,最大光热转化效率超过37%。壳聚糖季铵盐的固有抗菌性和光热协同作用展现出理想的抗菌能力,对细菌细胞表面产生了明显的破坏,同时水凝胶的细胞毒性较低,因此具备成为新型医用抗菌材料的潜力。(2)将PNIPAM与壳聚糖季铵盐、单宁酸-铁络合物进行复合,制备了同时具有温敏性和光敏性的双刺激响应性的抗菌水凝胶,并在复合水凝胶中添加了促成骨生长因子BMP-2,开发了应用于骨缺损治疗,同时具备抗炎和促骨分化修复能力的的新型温敏光热水凝胶。这种PNIPAM基水凝胶能够在温度升高后展现出明显的体积收缩和形态变化。温度变化后PNIPAM基水凝胶的SEM和溶胀率显示,水凝胶三维网络收缩明显,有利于负载生长因子的释放。同时,通过猪皮粘附测试和流变学测试,可以得知水凝胶具备优良的粘附性和自愈合能力,并且光热性能稳定,具有抗菌和抗氧化的能力。成骨细胞分化结果显示,水凝胶能够有效刺激成骨细胞的增殖分化,并且利用光热作用提供的“温泉效应”,细胞的ALP染色加深,成骨相关生长因子:如COL1,RUNX2的表达明显上调,成骨分化促进作用明显,在体外实验中展现了该水凝胶作为智能材料在骨修复领域的应用前景。

关键词：刺激响应性水凝胶壳聚糖季铵盐光热抗菌聚(N-异丙基丙烯酰胺) 骨修复材料

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刺激响应性短肽水凝胶研究进展

山东化工 2022年第4期51卷 59-62页

作者：郭锦周郑仁林西南科技大学生命科学与工程学院四川达州636350 西南科技大学生命科学与工程学院四川绵阳621000

随着现代化工技术的不断进步,刺激响应性水凝胶越来越受到科研人员的关注。刺激响应性短肽水凝胶可在外界的刺激包括pH值、温度、光和酶等物理和化学因素下做出相应的表现,控制其化学构象或理化性质的改变,对所受到的刺激做出相应的响... 详细信息

随着现代化工技术的不断进步,刺激响应性水凝胶越来越受到科研人员的关注。刺激响应性短肽水凝胶可在外界的刺激包括pH值、温度、光和酶等物理和化学因素下做出相应的表现,控制其化学构象或理化性质的改变,对所受到的刺激做出相应的响应。对其独特性质进一步研究,将其运用于生物传感、药物控释和组织修复等医学领域,有着较好的发展前景。本综述介绍了该类水凝胶的制备原理、相应的刺激响应类别和医学运用。

关键词：化工技术刺激响应性水凝胶刺激响应性短肽水凝胶刺激响应类别

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水凝胶递药系统的研究进展及应用

中国医药工业杂志 2023年第4期54卷 504-511页

作者：黄蓝仪张蜀广东药科大学新药研发中心广东省药物新剂型重点实验室广东广州510006

水凝胶是一种具有优异亲水性、柔韧性、溶胀特性的三维网状空间结构聚合物。由于良好的载药特性,水凝胶在药物递送、诊断、治疗、组织工程等领域应用广泛。该研究总结了国内外有关水凝胶的近期文献,就水凝胶的分类、材料及性能改进、水... 详细信息

水凝胶是一种具有优异亲水性、柔韧性、溶胀特性的三维网状空间结构聚合物。由于良好的载药特性,水凝胶在药物递送、诊断、治疗、组织工程等领域应用广泛。该研究总结了国内外有关水凝胶的近期文献,就水凝胶的分类、材料及性能改进、水凝胶的形成机制与交联剂等方面进行了综述,并展望水凝胶递药系统的发展前景,以期为相关研究提供参考。

关键词：刺激响应性水凝胶递药系统材料交联剂

荧光胶束—水凝胶复合物的制备及作为载体的性能研究

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荧光胶束—水凝胶复合物的制备及作为载体的性能研究

作者：蒋林芮昆明理工大学

学位级别：硕士

聚合物胶束因其独特的核/壳结构,作为油溶性抗癌药物载体得到了广泛应用。但胶束是一种通过可逆稳定力的作用形成的热力学自组装结构,在复杂的体内/外环境下不可避免地会被多种失稳机制瓦解,导致药物在到达靶组织前释放。因此,稳定性是... 详细信息

聚合物胶束因其独特的核/壳结构,作为油溶性抗癌药物载体得到了广泛应用。但胶束是一种通过可逆稳定力的作用形成的热力学自组装结构,在复杂的体内/外环境下不可避免地会被多种失稳机制瓦解,导致药物在到达靶组织前释放。因此,稳定性是限制传统聚合物胶束作为载体应用的关键问题。研究发现,胶束外壳交联及采用具有溶胀却难溶解性质的水凝胶包埋是提高聚合物胶束稳定性的常用手段。基于此,本文构建并研究了一种具有荧光成像功能和p H/氧化还原双重响应性的智能荧光胶束-水凝胶复合物。在提高胶束稳定性的同时,可实现水凝胶对疏水药物的递送,并且其荧光功能有利于对胶束的团聚、瓦解及细胞内分布进行检测。具体研究内容如下:1、制备疏水改性聚乙烯亚胺(PEI-C),并利用巯基乙酸点击亚胺反应在其分子结构中修饰聚集诱导发光单体（TPE）,进一步通过溶剂挥发法制备了具有聚集诱导发光现象（aggregation-induced emission,AIE）现象的双亲性聚乙烯亚胺(PEI-C AIE)胶束。结果表明:该聚合物胶束平均粒径为122.1±2.4 nm,临界胶束浓度（CMC）为0.0123 mg/m L,并具有明显的AIE效应。2、以胱胺二盐酸盐（CYS）为交联剂,采用席夫碱反应制备了葡聚糖水凝胶,作为基质用于PEI-C AIE胶束的包埋,构建了具有荧光特性和p H/氧化还原敏感性的荧光胶束-水凝胶复合物。通过SEM和流变学研究观察到荧光胶束-水凝胶复合物具有致密的网络结构、良好的弹性。此外,降解实验表明AIE胶束可以从水凝胶中释放,且具有完整的结构。3、以阿霉素（DOX）为疏水性模型药物,对构建的荧光胶束-水凝胶复合物的载药能力、释药行为及机理进行了分析。结果表明:水凝胶复合有利于提高胶束的稳定性,同时其环境敏感性使得药物累计释放量增大,但其释放机理复杂,受到扩散、溶胀和侵蚀等多个过程影响。此外,体外细胞标记实验发现:该荧光胶束-水凝胶复合物具有良好的细胞相容性,降解释放的AIE胶束能被细胞吞噬并具有良好的荧光成像能力。因此,本论文构建的荧光胶束-水凝胶复合物可用于疏水性药物的环境敏感性释放,并有望实现药物递送的可视化。

关键词：刺激响应性水凝胶聚集诱导发光巯基乙酸点击亚胺反应药物递送阿霉素

微环境响应型低氧模拟DFO复合水凝胶按需新生血管促腱骨界面愈合研究

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微环境响应型低氧模拟DFO复合水凝胶按需新生血管促腱骨界面愈合...

作者：徐成忠南方医科大学

学位级别：硕士

背景腱骨界面损伤的发病率逐年上升,已经成为一个严重的健康问题,在给社会带来巨大的经济压力与医疗负担的同时,也大大降低了世界各地数百万人的生活质量。腱骨界面组织工程及再生医学为腱骨界面损伤提供新策略。甲磺酸去铁胺(DFO)作为... 详细信息

背景腱骨界面损伤的发病率逐年上升,已经成为一个严重的健康问题,在给社会带来巨大的经济压力与医疗负担的同时,也大大降低了世界各地数百万人的生活质量。腱骨界面组织工程及再生医学为腱骨界面损伤提供新策略。甲磺酸去铁胺(DFO)作为FDA批准的安全药物,能够有效螯合铁离子,上调HIF-1 α,促进成血管成骨,同时能够有效抗ROS,调节巨噬细胞极化。针对腱骨界面损伤后处于乏氧、偏酸、ROS富集的微环境,多重响应缓释凝胶(CAHPSDB)能够有效响应微环境变化,在负载DFO后,根据微环境需求按需释放DFO,从而实现按需血管化,促进成骨,降低微环境ROS,有效减轻炎症反应。结合腱骨界面的病理生理机制,我们猜测负载DFO的多重响应缓释凝胶(CAHPSDB-DFO)支架对腱骨界面微环境的改善及界面损伤的修复再生具有重大科学意义。目的设计并构建具有优良的力学性能和生物相容性并能根据腱骨界面微环境改变响应性释放DFO的缓释凝胶支架。研究界面组织工程对腱骨界面损伤的修复与再生作用及相关机制的探讨。方法1、制备不同的缓释凝胶支架并负载DFO,进行微观形貌观察、红外光谱、力学性能表征及响应性缓释性能测定。2、体外实验评估不同缓释凝胶支架的细胞相容性,细胞内HIF-1α、VEGF、BMP-2、RUNX2的表达水平,成血管成骨作用,抗氧化应激,调控巨噬细胞极化等细胞生物学行为。3、构建大鼠前交叉韧带重建模型,肌腱移植物包裹CAHPSDB-DFO凝胶支架,通过腱骨界面影像学、生物力学及组织学分析,分别在4、8、12周评估腱骨界面影像学及组织学修复再生作用。结果1、CAHPSDB-DFO凝胶支架表现出互穿网络的3D立体结构,表面微结构粗糙不平适合二细胞的攀爬、生长、迁移。同时具备良好的力学性能,能够多重响应外界微环境的刺激,达到按需释放DFO的作用;2、CAHPSDB-DFO具备优良的生物相容性,细胞可以在凝胶支架上逐渐表现出叠层生长。有效上调HIF-1 α、VEGF、BMP-2及RUNX2的表达水平,促进成血管成骨。同时表现出良好的抗氧化应激及调节巨噬细胞向M2方向分化;3、CAHPSDB-DFO在术后4、8、12周在影像学、生物力学及组织学上都表现出更加优秀的腱骨界面损伤修复效果,同时腱骨界面表现出更轻的炎症反应,能够有效实现腱骨界面的早期快速愈合。结论多重响应性互穿网络水凝胶支架,该支架在缺氧、酸性、ROS和相关酶富集状态下适应肌腱-骨界面微环境,可控释放缺氧模拟剂DFO。结果表明,多功能CAHPSDB-DFO凝胶能够有效控制响应缺氧、酸性、ROS和相关富含酶的微环境的DFO控制释放。DFO的可控释放不仅显著降低了其毒性,而且通过上调HIF-1α并按需促进VEGV、BMP-2和Runx-2的表达,保持了有效的生物活性。同时,CAHPSDB-DFO凝胶支架可有效促进血管生成和成骨,调节免疫应答,抵抗氧化应激,并表现出抗炎作用。因此,经过ACL重建后,CAHPSDB-DFO凝胶支架可有效促进肌腱移植骨界面的早期快速愈合,为肌腱-骨界面损伤提供新的治疗策略和方向。

关键词：刺激响应性水凝胶低氧模拟水凝胶成骨成血管腱骨界面愈合

基于谷氨酸树枝状两亲分子的超分子水凝胶的收缩及其功能化应用

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科学通报 2017年第6期62卷 457-468页

作者：谢凡秦龙欧阳光辉刘鸣华中国科学院化学研究所、中国科学院胶体界面与化学热力学重点实验室、北京分子科学国家实验室北京100190

超分子凝胶是基于低分子量凝胶剂分子在溶剂中通过分子间非共价相互作用自组装形成的具有网络骨架结构的半固态、半液态的软物质材料,其易于制备、组装结构多样并具有多重刺激响应性,有望在智能材料等领域得到应用.刺激响应性包括一些... 详细信息

超分子凝胶是基于低分子量凝胶剂分子在溶剂中通过分子间非共价相互作用自组装形成的具有网络骨架结构的半固态、半液态的软物质材料,其易于制备、组装结构多样并具有多重刺激响应性,有望在智能材料等领域得到应用.刺激响应性包括一些物理或化学刺激,如温度、pH、离子强度、磁场、电场、光照、氧化还原、化学及生物物质等,凝胶材料可以在这些刺激下发生诸如凝胶的形态(溶胶-凝胶)、体积(收缩-膨胀)和形状(形状记忆)等的可逆变化.其中,可以发生宏观上的体积相转变的刺激响应性水凝胶尤为引人注目,在药物释放、生物感应、可控微流阀门以及组织修复愈合等方面具有广阔的应用前景.本文介绍了一种基于谷氨酸树枝状两亲分子的具有体积收缩功能的超分子水凝胶,阐述了该凝胶体系对金属离子、pH、温度和光等刺激信号的响应及其可逆收缩-膨胀机理,并介绍了利用超分子凝胶的收缩特性在混合染料分离、可视化手性识别与检测、手性光学开关和药物释放等领域的应用.

关键词：超分子凝胶刺激响应性水凝胶收缩及膨胀体积相转变

基于双硫键交换可控构建的水凝胶及其动态交联机理研究

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高分子学报 2019年第5期50卷 429-441页

作者：窦雪宇王星吴德成中国科学院化学研究所北京分子科学国家研究中心北京100190 中国科学院大学化学科学学院北京100049

水凝胶是一种通过化学或物理作用交联形成的三维网络高分子材料.近年来,采用动态共价键交联构建的智能水凝胶因其基础研究的重要性以及在生物医学领域中广泛的应用前景引起了众多科研工作者的关注,因而发展具有环境响应性或自修复特性... 详细信息

水凝胶是一种通过化学或物理作用交联形成的三维网络高分子材料.近年来,采用动态共价键交联构建的智能水凝胶因其基础研究的重要性以及在生物医学领域中广泛的应用前景引起了众多科研工作者的关注,因而发展具有环境响应性或自修复特性的凝胶材料,能够满足其在生物医学领域中应用的更高要求.本文结合国内外关于动态共价键制备刺激响应性凝胶的研究发展现状,系统地总结和评述了一种活性可控交联策略,能够通过控制外界响应刺激可逆地激活或终止"巯基-双硫键"交换反应,进而实现在宏观和微/纳米多尺度下凝胶结构和性能的可控构筑,为凝胶材料的多功能化构建提供了全新的思路,同时也为新型智能生物材料的设计和发展提供了一种普适化方法.

关键词：双硫键交换可控交联刺激响应性水凝胶生物医用

基于免疫反应调控细胞在生物材料中的三维迁移行为

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基于免疫反应调控细胞在生物材料中的三维迁移行为

作者：李旭光浙江大学

学位级别：硕士

细胞迁移作为细胞的基本功能之一,与人类及动物的生物学和生理学行为息息相关。其中,细胞在三维环境下的迁移行为可以更好地描述细胞在体内的真实生理过程,是组织工程与再生医学领域中的重点和难点。本文构建了全新的模型,借用Transwel... 详细信息

细胞迁移作为细胞的基本功能之一,与人类及动物的生物学和生理学行为息息相关。其中,细胞在三维环境下的迁移行为可以更好地描述细胞在体内的真实生理过程,是组织工程与再生医学领域中的重点和难点。本文构建了全新的模型,借用Transwell小室研究不同种类细胞基于免疫反应向传统支架材料和刺激响应智能水凝胶材料中的迁移行为。本文首先采用50ng/mL干扰素IFN-γ和不同浓度的脂多糖LPS(0-300ng/mL)对原代巨噬细胞(M0)进行极化,分泌细胞因子(TNF-α和VEGF)诱导内皮细胞向胶原-壳聚糖材料中进行迁移。通过激光共聚焦显微镜表征发现,随着LPS浓度的提高,内皮细胞可以向-10 ℃冷冻干燥支架材料中更深的区域迁移,且该变化趋势与TNF-α的浓度变化趋势相一致。另外,在50ng/mL IFN-γ和300ng/mL LPS条件下,刺激巨噬细胞来诱导内皮细胞向不同孔结构胶原-壳聚糖支架材料中迁移试验中发现:内皮细胞在-10 ℃支架(186.7±15.0μm)比在-20 ℃支架(108.1±13.0μm)中更容易迁移至更深的区域,证明了材料的孔径对于细胞三维迁移有着重要的影响。为了研究pH响应性智能材料在外界环境pH改变的情况下对不同种类细胞三维迁移的影响,制备了碳碳双键和席夫碱键交联的双网络水凝胶,并将该水凝胶置于不同的pH缓冲液(pH 7.4和pH 5)处理。结果发现,pH 5处理后的水凝胶其溶胀率和网格大小有所提高,但是机械性能却明显降低。利用激光共聚焦显微镜研究不同种类细胞基于免疫反应向不同pH缓冲液处理的材料中三维迁移行为,结果发现内皮细胞(ECs)在pH5处理后的水凝胶中比在pH 7.4处理后的水凝胶中更容易迁移至更深的区域,而骨髓间充质干细胞(BMSCs)细胞则在pH 7.4缓冲液处理后的水凝胶中迁移更深的距离。除了 pH响应性材料外,光响应材料也是智能响应材料中应用比较广泛的一种。本文制备了碳碳双键和香豆素基团光二聚交联的双网络水凝胶,并将该水凝胶在波长为λ=254 nm的光下处理。结果发现,光处理20min后的水凝胶其溶胀率和孔径明显提高,而机械性能明显降低。通过激光共聚焦显微镜表征内皮细胞在波长为λ=254 nm的光处理前后的材料中三维迁移情况,结果发现内皮细胞在光处理后的水凝胶中比在光处理前的水凝胶中更容易迁移至更深的区域,再一次验证了内皮细胞更容易在模量较小的三维材料中迁移。本文借用该全新的实验模型探究了影响细胞三维迁移的因素(材料孔结构、模量以及生物信号因子),为受损组织修复与再生提供了一定的实验基础。

关键词：三维细胞迁移免疫反应化学引诱物刺激响应性水凝胶