聚多巴胺改性压电聚偏氟乙烯膜调控干细胞粘附及钙含量的研究

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具有压电特性的生物材料在骨组织工程和再生应用的开发中获得广泛关注。与通常使用外加负载来诱导可控压电刺激的方法不同,由细胞黏附力介导的压电刺激为细胞行为的原位电调控提供了一种自刺激的方法。这种表面电势的产生主要由生物材料固有的压电性能和细胞的动态粘附状态所决定,系统研究细胞-材料相互作用过程中的自刺激,对生物电子智能材料的优化设计和细胞行为调控机理的探究具有重要意义。本文通过调整多巴胺的自组装聚合时间获得了不同亲水性的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜,研究了对细胞粘附介导的压电自刺激的影响。首先,利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪、X-射线衍射仪和X-射线光电子谱仪等表征分析了该薄膜材料的结构及成分,通过扫描电子显微镜和原子力显微镜分析了薄膜的表面形貌及粗糙度,利用接触角测试评价薄膜的亲疏水性。在此基础上,将间充质干细胞(MSC)接种在亲疏水性改善的压电PVDF膜表面,观察细胞粘附及胞内钙离子浓度的变化。进一步结合有限元分析,对细胞粘附介导的压电PVDF膜表面压电输出进行三维模拟,讨论不同粘附位点数量及细胞面积对压电电势输出的影响,结合实验剖析细胞粘附力-钙离子信号通路的调控机理。结果表明,利用多巴胺的自组装反应成功改善了压电PVDF薄膜的表面亲水性,并且在改性后的压电薄膜上MSC具有更强的细胞铺展和粘附能力。聚多巴胺对压电PVDF膜上的表面修饰促进了细胞肌动蛋白束的形成和黏附位点的成熟,进而正向调节了细胞的压电自刺激和细胞内钙瞬变。结合有限元模拟结果,发现压电自刺激效应的增强主要是由于黏附位置点数量和黏附力大小增加。这些结果为探索压电材料上细胞自刺激的调控机制提供了新的思路,为压电生物材料界面的合理设计提供参考。
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