聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面修饰及在细胞培养中的应用

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(1.北京服装学院 材料科学与工程学院，北京 100029；2.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；3.北京航空航天大学 生物与医学工程学院 生物力学与力生物学教育部重点实验室，北京 100191；4.北京航空航天大学 生物医学工程高精尖创新中心，北京 102402)

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种有机硅材料，其主链由Si-O键构成，空间上呈螺旋形。作为一种高分子有机硅化合物，PDMS由于其具有电绝缘性，生物相容性，弹性，耐热性，较高的化学惰性以及成本低廉许多特性，在很多领域得到了广泛的应用，比如建筑、航空航天、生物医疗、电子电器等[1]。近年来，具有微纳米尺度可加工性优异性能的PDMS已经发展成在生物微流控领域最为受欢迎的基底材料，同样在细胞体外培养方面的应用也极为广泛。但是，普通制作的PDMS表面具有疏水性，这对细胞的粘附和生长极为不利[2]，而且，生物组织细胞与基底材料表面直接接触，基底表面的特征性能是引起生物组织细胞发生反应的直接因素。因此，对PDMS表面进行表面修饰以达到实验研究和性能优化的目的，是一个极为重要的研究方向。这包括对PDMS进行表面改性使其由疏水性变为亲水性，同时，在赋予PDMS表面亲水性的基础上，对其进行图案化，比如改变其形貌，硬度等特征。

1 表面改性

对于PDMS的表面改性，目前已研究发展出了很多种方法。主要有等离子处理，紫外辐射处理，硅烷化，接枝共聚法，动态表面改性法等。这些方法各有优缺点。等离子处理法操作十分简单，并且能够快速改善PDMS表面的亲水性，是修饰改性应用最为广泛的一种方法之一，但是这种方法也有一个很大的缺陷，即经过等离子处理之后的PDMS表面在很短时间内便会发生疏水复原，表面由亲水重新变得疏水[3]。紫外辐射处理的优点在于能量低，在处理改性过程中不会使PDMS的表面发生大的机械性能变化，紫外处理的缺点在于，时间较长，且只在气相有氧的环境中效果更好[4]。硅烷化和接枝共聚法是将PDMS与有机试剂接触反应，将亲水基团修饰到材料表面，这种处理方法得到的亲水表面能够维持较长时间，疏水复原时间相对长，但是缺点是操作繁琐，且需要一定时间[5]，并可能会对后期在PDMS表面进行培养的细胞状态产生影响。动态表面改性法是用表面活性剂、蛋白质或者离子液体等对PDMS进行涂层表面修饰，这种方法简便经济，但是表面活性剂和离子液体处理的材料表面亲水性维持时间较短，且可能会在细胞培养中与与培养基发生反应，影响细胞生长，而蛋白质吸附得到亲水性表面则要求无菌和无蛋白质降解酶的环境。最近，也有学者在改善亲水性的同时，试图赋予PDMS表面更多的优异性能。Jiao J等在PDMS表面涂上中草药提取物--丹皮酚，改变了PDMS表面的润湿性和元素组成。PDMS表面抑制接触面细菌生长，促进非癌症哺乳动物细胞低毒性生长；同时，癌细胞的生长明显受到抑制[6]。

在细胞培养过程中，无菌环境是必须的，且细胞培养一个周期较长，大概需要3～4天。因此，在综合比较了各种PDMS表面亲水性改性的方法后，选用了等离子处理和动态表面改性两种方法相结合对PDMS表面进行修饰改性。先用小型离子溅射仪对PDMS处理3次，每次1～2 min，之后将PDMS在0.1%的明胶(一种胶原蛋白部分讲解之后的产物，具有良好的生物相容性)中于37℃无菌条件下孵育30 min。对经过如上处理之后的PDMS表面进行接触角测量，发现其接触角由原始的110°左右下降到30°左右。且在4～5天里能够维持一个较好的亲水性，满足细胞的体外培养。

2 表面图案化

细胞体外培养时时与基底直接接触的，基底的硬度、表面几何形态等对细胞的生长起到了一定的调控作用。目前，对PDMS表面进行图案化处理的方法主要有刻蚀技术，软刻蚀技术，纳米压印技术等。 刻蚀技术是通过利用紫外光、激光、X射线、电子束等的高能量源，在掩模板的辅助作用下，有选择性的去除材料表面特定区域的物质，从而得到具有拓扑结构的材料表面[7]。目前实验室条件下，紫外光刻蚀的应用较为广泛，原因是其对实验条件的要求相对宽松，操作简便，能够得到亚微米级的图案[8]。软刻蚀改进了传统刻蚀技术的很多缺陷，且PDMS表面具有易加工的特性，通过模板复刻，能够更加简便的得到想要的材料表面，在图案化过程中应用广泛。纳米压印技术是通过纳米材料的在材料表面的沉积和吸附，不需要能量束的参与即可得到纳米尺寸的图案，具有低耗高产的优势[9]。

随着技术的发展，研究人员在研究基底对细胞增殖生长等的影响时，已经不再满足于探索基底的二维结构，三维结构对细胞的影响已经成为一个热门研究方向。Moghadas等改良制备了适合三维细胞培养的电纺聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜/支架，他们成功地在这些膜上培养了上皮肺癌细胞，证明其适合细胞培养应用[10]。Mayer M等通过在PDMS基底内部嵌入磁性微粒，实现了在磁场作用下基底弹性的动态变化，发现人类原代成纤维细胞中平滑肌肌动蛋白的表达具有弹性依赖性[11]。Zargar R等采用气体发泡与颗粒浸出相结合的方法，以NaHCO3为发泡盐，NaCl为起始剂，形成三维PDMS海绵。采用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷进行表面化学修饰，在多孔PDMS基质上培养内皮细胞。结果表明内皮细胞对制备的PDMS海绵有积极的反应[12]。

我们将细度均匀的钢丝紧密排列制成初始模具，将PDMS凝胶浇注其上，得到了带有三维凹曲面的PDMS表面，同时以得到的凹曲面PDMS为模板，复刻得到带有三维凸曲面的PDMS曲面，在这两种曲面基底上培养小鼠胚胎干细胞，并与平面PDMS基底对比发现，凹曲面和凸曲面均能在一定程度上帮助小鼠胚胎干细胞维持其多能性。但是具体作用机理还不清楚，我们猜测这可能与细胞和基底之间所产生的粘附力有关。

3 结论与展望

PDMS因其独特的化学物理性能，在细胞培养中应用广泛。其表面修饰的方法，包括表面改性和图案化都已有很多的研究，并对细胞的体外培养和实验研究起到了很大的促进作用。但是表面改性的疏水复原问题还没有得到很好解决，表面图案对细胞生长产生影响的作用机理尚未为被揭示。这为材料和生物两大领域及其交叉学科的未来研究提供了一个方向。