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(1.北京服裝學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029；2.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；3.北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；4.北京航空航天大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 102402)

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一種有機(jī)硅材料，其主鏈由Si-O鍵構(gòu)成，空間上呈螺旋形。作為一種高分子有機(jī)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(xué)惰性以及成本低廉許多特性，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如建筑、航空航天、生物醫(yī)療、電子電器等[1]。近年來(lái)，具有微納米尺度可加工性?xún)?yōu)異性能的PDMS已經(jīng)發(fā)展成在生物微流控領(lǐng)域最為受歡迎的基底材料，同樣在細(xì)胞體外培養(yǎng)方面的應(yīng)用也極為廣泛。但是，普通制作的PDMS表面具有疏水性，這對(duì)細(xì)胞的粘附和生長(zhǎng)極為不利[2]，而且，生物組織細(xì)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(xì)胞發(fā)生反應(yīng)的直接因素。因此，對(duì)PDMS表面進(jìn)行表面修飾以達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究和性能優(yōu)化的目的，是一個(gè)極為重要的研究方向。這包括對(duì)PDMS進(jìn)行表面改性使其由疏水性變?yōu)橛H水性，同時(shí)，在賦予PDMS表面親水性的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行圖案化，比如改變其形貌，硬度等特征。

1 表面改性

對(duì)于PDMS的表面改性，目前已研究發(fā)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(dòng)態(tài)表面改性法等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。等離子處理法操作十分簡(jiǎn)單，并且能夠快速改善PDMS表面的親水性，是修飾改性應(yīng)用最為廣泛的一種方法之一，但是這種方法也有一個(gè)很大的缺陷，即經(jīng)過(guò)等離子處理之后的PDMS表面在很短時(shí)間內(nèi)便會(huì)發(fā)生疏水復(fù)原，表面由親水重新變得疏水[3]。紫外輻射處理的優(yōu)點(diǎn)在于能量低，在處理改性過(guò)程中不會(huì)使PDMS的表面發(fā)生大的機(jī)械性能變化，紫外處理的缺點(diǎn)在于，時(shí)間較長(zhǎng)，且只在氣相有氧的環(huán)境中效果更好[4]。硅烷化和接枝共聚法是將PDMS與有機(jī)試劑接觸反應(yīng)，將親水基團(tuán)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(zhǎng)時(shí)間，疏水復(fù)原時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，但是缺點(diǎn)是操作繁瑣，且需要一定時(shí)間[5]，并可能會(huì)對(duì)后期在PDMS表面進(jìn)行培養(yǎng)的細(xì)胞狀態(tài)產(chǎn)生影響。動(dòng)態(tài)表面改性法是用表面活性劑、蛋白質(zhì)或者離子液體等對(duì)PDMS進(jìn)行涂層表面修飾，這種方法簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)，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(shí)間較短，且可能會(huì)在細(xì)胞培養(yǎng)中與與培養(yǎng)基發(fā)生反應(yīng)，影響細(xì)胞生長(zhǎng)，而蛋白質(zhì)吸附得到親水性表面則要求無(wú)菌和無(wú)蛋白質(zhì)降解酶的環(huán)境。最近，也有學(xué)者在改善親水性的同時(shí)，試圖賦予PDMS表面更多的優(yōu)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(rùn)濕性和元素組成。PDMS表面抑制接觸面細(xì)菌生長(zhǎng)，促進(jìn)非癌癥哺乳動(dòng)物細(xì)胞低毒性生長(zhǎng)；同時(shí)，癌細(xì)胞的生長(zhǎng)明顯受到抑制[6]。

在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中，無(wú)菌環(huán)境是必須的，且細(xì)胞培養(yǎng)一個(gè)周期較長(zhǎng)，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(dòng)態(tài)表面改性?xún)煞N方法相結(jié)合對(duì)PDMS表面進(jìn)行修飾改性。先用小型離子濺射儀對(duì)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(chǎn)物，具有良好的生物相容性)中于37℃無(wú)菌條件下孵育30 min。對(duì)經(jīng)過(guò)如上處理之后的PDMS表面進(jìn)行接觸角測(cè)量，發(fā)現(xiàn)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(gè)較好的親水性，滿(mǎn)足細(xì)胞的體外培養(yǎng)。

2 表面圖案化

細(xì)胞體外培養(yǎng)時(shí)時(shí)與基底直接接觸的，基底的硬度、表面幾何形態(tài)等對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)起到了一定的調(diào)控作用。目前，對(duì)PDMS表面進(jìn)行圖案化處理的方法主要有刻蝕技術(shù)，軟刻蝕技術(shù)，納米壓印技術(shù)等。 刻蝕技術(shù)是通過(guò)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(qū)域的物質(zhì)，從而得到具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料表面[7]。目前實(shí)驗(yàn)室條件下，紫外光刻蝕的應(yīng)用較為廣泛，原因是其對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求相對(duì)寬松，操作簡(jiǎn)便，能夠得到亞微米級(jí)的圖案[8]。軟刻蝕改進(jìn)了傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)的很多缺陷，且PDMS表面具有易加工的特性，通過(guò)模板復(fù)刻，能夠更加簡(jiǎn)便的得到想要的材料表面，在圖案化過(guò)程中應(yīng)用廣泛。納米壓印技術(shù)是通過(guò)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(chǎn)的優(yōu)勢(shì)[9]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，研究人員在研究基底對(duì)細(xì)胞增殖生長(zhǎng)等的影響時(shí)，已經(jīng)不再滿(mǎn)足于探索基底的二維結(jié)構(gòu)，三維結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞的影響已經(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)研究方向。Moghadas等改良制備了適合三維細(xì)胞培養(yǎng)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(yǎng)了上皮肺癌細(xì)胞，證明其適合細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用[10]。Mayer M等通過(guò)在PDMS基底內(nèi)部嵌入磁性微粒，實(shí)現(xiàn)了在磁場(chǎng)作用下基底彈性的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)人類(lèi)原代成纖維細(xì)胞中平滑肌肌動(dòng)蛋白的表達(dá)具有彈性依賴(lài)性[11]。Zargar R等采用氣體發(fā)泡與顆粒浸出相結(jié)合的方法，以NaHCO3為發(fā)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(jìn)行表面化學(xué)修飾，在多孔PDMS基質(zhì)上培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞。結(jié)果表明內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)制備的PDMS海綿有積極的反應(yīng)[12]。

我們將細(xì)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(shí)以得到的凹曲面PDMS為模板，復(fù)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(yǎng)小鼠胚胎干細(xì)胞，并與平面PDMS基底對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凹曲面和凸曲面均能在一定程度上幫助小鼠胚胎干細(xì)胞維持其多能性。但是具體作用機(jī)理還不清楚，我們猜測(cè)這可能與細(xì)胞和基底之間所產(chǎn)生的粘附力有關(guān)。

3 結(jié)論與展望

PDMS因其獨(dú)特的化學(xué)物理性能，在細(xì)胞培養(yǎng)中應(yīng)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(duì)細(xì)胞的體外培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)研究起到了很大的促進(jìn)作用。但是表面改性的疏水復(fù)原問(wèn)題還沒(méi)有得到很好解決，表面圖案對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)產(chǎn)生影響的作用機(jī)理尚未為被揭示。這為材料和生物兩大領(lǐng)域及其交叉學(xué)科的未來(lái)研究提供了一個(gè)方向。