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基于生物相容性光子晶体的细胞培养和药物评估应用

【摘要】:结构色材料是一种具有有序微纳结构的材料,它可以与光相互作用而产生颜色。其独特的周期性微纳结构和光学传感特性,使其在组织工程、细胞行为学研究、药物筛选和生物发育等方面有着巨大的潜在应用价值。在细胞研究中,细胞与材料间的相互作用一直是研究的热点,其中主要包括细胞在材料表面的吸附、生长、增殖、分化和凋亡等多种行为。因此,这种基于结构色材料构建的检测平台将在细胞与材料相互作用的研究中发挥重要的作用。和其他检测平台相比,基于结构色材料构建的细胞检测平台,不需要荧光染色,避免了待检细胞死亡或荧光猝灭等现象的发生。其本身所具有的高效、稳定且不受外界干扰的光学编码元素,可在不伤害细胞的情况下,实现细胞生理过程的实时监测,比如细胞的增殖、分化、凋亡和趋性等过程。本论文主要阐述了生物相容性反蛋白石结构色水凝胶材料在细胞传感中的研究,构建了基于结构色材料的器官芯片,并开发其在药物筛选和评估等领域中的应用,具体内容如下:(1)以二氧化硅胶体粒子为构筑基元,制备了光子晶体膜、光子晶体纤维、光子晶体微球模板。基于生物相容性GelMA水凝胶和光子晶体模板,获得了生物相容性的反蛋白石GelMA水凝胶膜、GelMA水凝胶纤维和核-壳GelMA水凝胶球形光子晶体微载体。(2)基于反蛋白石GelMA水凝胶支架,向反蛋白石孔洞中填充具有自修复功能的BSA水凝胶体系,实现了自修复结构色水凝胶的制备。利用自修复结构色水凝胶,实现了一、二、三维结构色图案的修复、防伪标签的制备,并将其应用到细胞传感等研究领域。(3)基于反蛋白石GelMA水凝胶膜,进行了心肌细胞的培养。借助心肌细胞的周期性收缩,实现了结构色水凝胶材料的主动调控。利用条纹反蛋白石GelMA水凝胶膜的表面拓扑形貌,使得心肌细胞能够取向生长,为在体外模拟心脏功能提供了高活性的心肌细胞。(4)基于条纹反蛋白石GelMA水凝胶膜,构建了用于心肌细胞传感的心脏芯片。借助条纹反蛋白石GelMA水凝胶的光学传感特性,实现了心肌细胞收缩力和跳动频率的监测,并将其用于心脏药物(异丙肾上腺素)的评估。(5)基于核-壳GelMA水凝胶球形光子晶体微载体,培养得到高活力、高表型和功能的肝细胞(HepG2)、肿瘤细胞(HCT-116)和成纤维细胞(NIH-3T3)聚集体。(6)基于核-壳GelMA水凝胶球形光子晶体微载体培养的HepG2,HCT-116 NIH-3T3细胞聚集体,构建了混合培养体系,并用于抗肿瘤药物替加氟的代谢途径研究。在该体系中,HepG2细胞聚集体将替加氟代谢为抗肿瘤药物5-氟尿嘧啶,并对HCT-116细胞表现出细胞毒性。

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