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压电电荷诱导亲水改性静电纺PLLA纳米纤维膜的制备及其调控干细胞分化和铺展研究

压电电荷诱导亲水改性静电纺PLLA纳米纤维膜的制备及其调控干细胞...

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作者：夏广波苏州大学

学位级别：硕士

电刺激(ES)能够对细胞的形貌、增殖和分化有显著的调节作用。在各种ES施加策略中,压电材料能够将机械力转换为电信号,利用压电材料来提供ES使得非接触式、无电源的ES施加成为可能。由于细胞和培养基底之间的相互作用,细胞迁移过程中能... 详细信息

电刺激(ES)能够对细胞的形貌、增殖和分化有显著的调节作用。在各种ES施加策略中,压电材料能够将机械力转换为电信号,利用压电材料来提供ES使得非接触式、无电源的ES施加成为可能。由于细胞和培养基底之间的相互作用,细胞迁移过程中能够对基底材料产生牵拉力,细胞牵拉压电纳米纤维基底产生的同位ES能够在无化学诱导因子或外部刺激的情况下调控细胞行为,这表明将压电纳米纤维材料应用于ES调控细胞活动具有显著前景。然而,大多数压电聚合物疏水,表面疏水性抑制细胞的有效黏附。为实现基底和细胞间高效的机电信号传输,需要对压电纳米纤维材料进行表面改性来增强细胞的粘附作用。但是,常规的改性方法容易随时间退化或者破坏压电纳米纤维膜的微观孔隙结构。因此,需要开发一种高效、牢固并且能够保留基底纳米纤维结构和压电性能的改性方案,用于增强细胞和压电纳米纤维基底之间的相互作用,进而高效利用表面的电-形貌刺激来调控干细胞的分化和铺展。本论文以生物可降解左旋聚乳酸(PLLA)为原料,通过静电纺制备具有纳米纤维结构的PLLA压电纤维膜。首先,在超声波激发出的表面电荷的协助下,对纳米纤维膜进行聚多巴胺(PDA)亲水改性。由于多巴胺(DA)和活化的压电纳米纤维之间的静电相互作用,PDA在PLLA纳米纤维表面进行同位修饰,因此赋予PLLA纤维膜良好的亲水性。与传统浸渍法改性相比,通过超声辅助改性赋予PLLA亲水性具有显著优势:(1)纳米纤维结构得以保留:由于多巴胺和PLLA之间的静电相互作用,PDA在单根PLLA纳米纤维的表面进行同位改性,因此纤维膜的纳米纤维结构得以保留,纳米纤维结构的保留可有效响应细胞水平的机械力;(2)改性效率高:超亲水改性只需要30分钟,而传统的浸渍法则至少需要24小时;(3)牢固性好:亲水修饰非常牢固,即使经过反复的去离子水冲洗仍能保持原有亲水性质;(4)具有体效应:与传统浸渍法获得的PDA表面改性不同,超声辅助改性不仅仅局限在表面,改性后,整个纤维膜都呈现出超亲水性;(5)纤维膜表面的亲水性可以通过调节改性溶液的pH进行可控调节,能够适应不同生物组织对表面亲水性的需要。其次,将PDA改性的PLLA纳米纤维膜(PDA+PLLA)分别在常规的生长培养基中和自发分化培养条件(无干细胞维持因子)下用于培养神经干细胞(NSCs),利用纤维的取向形貌和细胞牵拉驱动的同位ES来调控干细胞铺展和分化。得到的结论如下:(1)经过PDA改性的PLLA纳米纤维膜能够显著促进干细胞的黏附;(2)PDA+PLLA在常规的生长培养基中能够有效促进干细胞铺展,但是并不能诱导细胞取向生长,只有在自发分化培养条件下,细胞获得充分的突起和伪足,才能沿着取向纤维定向生长。此外,值得注意的是:无论压电聚合物的压电性能如何,细胞铺展的面积和取向程度与细胞在基底上的黏附程度一致;(3)在没有外源诱导因子的情况下,PDA+PLLA只需要7天就能够显著诱导干细胞分化,细胞的分化程度是在常规TCP(细胞培养板)上培养细胞的数百倍(基于定量PCR分析)。此外,无论压电聚合物的压电性能如何,干细胞分化的程度与细胞在基底上的黏附程度一致。本研究利用压电材料本身的机械-电转换效应对材料进行亲水改性,改性方案效率高并且能够保留材料的纳米结构,利用电活性材料本身的性能进行改性的思路可以进一步拓展到其它电活性材料的表面改性。此外,本研究不仅提供一种能够诱导NSCs高效分化和定向铺展的PDA改性PLLA纳米纤维膜,而且得到电-形貌刺激和细胞黏附对干细胞分化和铺展的作用关系,为后续关于物理刺激对细胞的调控作用研究奠定基础。

关键词：压电纳米纤维超声波激发压电电荷细胞黏附细胞铺展和分化

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