基于ATRP方法的材料表面微环境构建及其对细胞行为影响的研究

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1、硕士学位论文基于ATRP方法的材料表面微环境构建及其对细胞行为性影响的研究作者姓名王舒浩学科专业生物医学工程指导教师吴刚教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年5月ConstructionoftheMaterialssurfaceMicroenvironmentBasedonATRPanditseffectsonCellBehaviorADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangShuhaoSupervisor：Prof.WuGangSouthChinaUniv

2、ersityofTechnologyGuangzhou,China分类号：学校代号：10561学号：201520113922华南理工大学硕士学位论文基于ATRP方法的多种表面微环境构建及其对细胞行为影响的研究作者姓名：王舒浩指导教师姓名、职称：吴刚教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：生物医学工程研究方向：生物医用材料论文提交日期：2018年05月04日论文答辩日期：年月日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：曹晓东委员：施雪涛、杭飞、吴刚、方立明论文受国家自然科学基金（31470934,51572110）资

3、助。摘要研究背景：设计可用于组织工程的生物医用材料的终极目标是制备出具有合适生物力学和生物活性的支架材料，使细胞能够更好的增殖、黏附和分化。因此在材料表面构建出能够支持组织特异性细胞生长分化的微环境至关重要。通过对细胞外基质（ECM）和细胞间相互作用的广泛研究，我们知道细胞外基质微环境中所包含的化学性质、物理性质和微观拓扑结构都会对细胞行为产生重要影响。但由于细胞微环境的复杂性，影响了人们准确了解材料表面性质对细胞行为的作用机制，导致人们对材料表面特性影响细胞行为的作用机制还不清楚。近年来纳米技术、光刻技术、表面引发原子自由基聚合（ATRP

4、）技术的发展，为构建具有限定物理特性或纳米图案的仿生表面提供了可能。研究目标：本研究将考察材料表面聚合物刷厚度及RGD修饰对细胞行为的影响，探究这两种因素对不同成软骨分化阶段细胞的作用机制，并用于组织工程化生物支架的表面改性和临床应用中。研究方法：本研究将设计构建两种材料表面微环境，首先以HEMA为表面原子自由基聚合反应的单体，通过控制聚合反应的时间，在玻璃片表面制备出具有厚度可控性质的PHEMA聚合物刷。然后通过酯化反应和点击化学的方法，在PHEMA聚合物刷表面修饰GRGDS多肽。最后选用骨髓间充质干细胞（BMSC）、一种成软骨的祖细胞（

5、ATDC5）以及人软骨细胞（HC）模拟软骨发育中不同的细胞分化阶段。研究这三种细胞在不同厚度PHEMA聚合物刷表面及GRGDS多肽修饰的表面上的细胞增殖、黏附及分化行为的差别，讨论不同细胞响应表面弹性模量变化、RGD修饰与细胞粘附因子、成软骨分化之间的关系。研究结果：材料分析测试结果表明PHEMA聚合物刷的厚度会随聚合反应时间的增加而增加；PHEMA聚合物刷厚度的变化会导致表面弹性模量发生变化，且PHEMA聚合物刷越厚其表面弹性模量越小；PHEMA聚合物刷厚度的变化对表面化学成分组成、润湿性及粗糙度影响不大；PHEMA聚合物刷分子链长，厚度

6、大较利于与炔基修饰的GRGDS多肽发生反应，点击效率更高。细胞实验结果表明：在较薄的PHEMA聚合物刷表面培养细胞将促进细胞的铺展和肌动蛋白纤维的合成，在较厚的PHEMA聚合物刷表面培养细胞呈现更圆I的细胞形态；不同成软骨分化阶段的细胞对PHEMA聚合物刷厚度变化的响应不同，ATDC5和HC细胞黏附形态会随PHEMA聚合刷厚度变化发生明显变化，且在较薄PHEMA聚合物刷表面高表达FAK和Integrinβ1黏附分子基因；在较厚PHEMA聚合物刷表面细胞将高表达Sox9和Col2软骨相关特异性基因，更有利于诱导成软骨分化和维持软骨细胞表型；P

7、HEMA聚合物刷表面修饰RGD对细胞增殖的促进作用要大于其基底弹性模量小对细胞增殖的抑制作用；接枝RGD多肽后，聚合物刷表面上细胞的形态则会趋向更铺展的多角状，细胞铺展面积增加，黏附能力提高；修饰在PHEMA聚合物刷上的RGD多肽可能会帮助细胞更好的感知聚合物刷厚度，从而调控细胞的分化行为。上述结果可以进一步了解材料表面特性对细胞行为的影响，为构建组织工程生物支架材料表面微环境提供理论指导。关键词：细胞微环境；聚合物刷；ATRP；成软骨分化IIAbstractResearchbackground:Theultimategoalofdesig

8、ningbiomedicalmaterialsfortissueengineeringistopreparescaffoldswithsuitablebiomechanicala