对聚合物表面进行物理和化学改性以增强上皮细胞的粘附性

《ACS Omega》：Physical and Chemical Modifications of Polymeric Surfaces to Enhance Epithelial Cell Adhesion

细胞粘附与材料表面特性调控研究。采用两光子聚合制备P59和S59光刻树脂，通过PBS处理改变表面亲水性、粗糙度及自由能。结果显示S59/PBS表面自由能（57.0 mJ/m2）和纳米粗糙度（r=1.0052）接近商用控制板（42.78 mJ/m2，r=1.0075），细胞粘附率提升3倍，形态参数（形状因子0.58，长宽比0.34）与控制板一致。而P59/PBS表面自由能（63.44 mJ/m2）过高导致粘附率下降。FTIR证实S59经PBS处理后生成羟基和羧酸基团，且表面呈现深谷与尖锐峰的复合拓扑结构。该绿色表面改性方法为可降解生物材料开发提供新策略。

　　在组织工程领域，三维支架和化学处理是常见的手段，用于构建一个对细胞友好的表面，从而改善细胞附着和组织生长。细胞附着可以借助对基底表面的物理化学特性进行调控，包括润湿性、表面电荷和粗糙度等。在本研究中，我们展示了基于两光子聚合技术制造细胞支架的光刻树脂的合成、表征和细胞相容性分析。此外，我们还提出了一种简单有效的表面处理方法，能够促进细胞附着。这种方法通过改变聚合物的表面电荷，从而增强上皮细胞的附着能力。我们的研究结果表明，这是一种高效的方法，用于对生物相容性聚合物支架进行表面修饰，以提高适合组织工程和再生医学的细胞功能表现。

聚合物材料在生物光子学和生物医学设备的发展中扮演着关键角色。它们在生物传感器、植入物和三维细胞培养环境中具有广泛应用。聚合物的吸引力在于其易于合成、可大规模生产、能够与纳米颗粒和其他化学基团进行功能化修饰，以及其独特的光学和机械性能。此外，它们可以通过合成获得可调节的柔韧性，使其成为药物输送和细胞及组织生长支架的理想选择。特别是基于丙烯酸的聚合物，因其良好的生物相容性、可降解性和机械性能而广泛应用于生物医学领域。

细胞附着于表面是许多细胞功能的关键，包括增殖和分化。它也在生物材料和可植入传感器或设备的开发中发挥重要作用。了解影响细胞-表面附着的因素，可以调控细胞在局部环境中的行为，从而促进组织工程技术的研究。事实上，文献中已经研究了细胞行为与聚合物表面润湿性的关系，特别是在细胞附着方面。尽管已有研究表明，细胞在亲水性表面上的附着性有所提高，但在全面理解细胞行为时，还需考虑其他因素，如聚合物表面的表面能、粗糙度和孔隙率。

例如，Majhy及其同事的研究表明，宫颈癌和乳腺癌细胞系在相同基底上表现出不同的行为，调整其对不同粗糙度比例的附着特性。这说明每种细胞系对基底特定特征的反应各不相同。在细胞-材料相互作用中，物理和化学特性都需要进行调整，以创造有利于细胞生长的环境。为了改变材料的特性并增强细胞附着，已经采用了多种表面改性方法，包括等离子处理、化学气相沉积、动态表面改性、蛋白质吸附和硅烷化。尽管存在多种方法可以诱导聚合物表面改性，但仍需提出更便宜、更快速的表面处理方案。同时，要确保每种新型聚合物材料的生物相容性与合适的表面处理相结合，以创造更符合生物体的表面。

随着环保趋势的发展，使用磷酸盐缓冲液（PBS）溶液对无机材料进行表面改性符合当前需求，通过减少有机试剂的使用和最小化废弃物的产生。PBS在实验室环境中常用于模拟生物溶液，因其能够紧密匹配人体的渗透压和离子浓度。作为一种等张且无毒的介质，PBS为维持活细胞的活性和功能提供了适宜的环境。虽然使用PBS提高聚合物表面亲水性的技术已被广泛记录，但在基于五乙醇酸（P59）和三乙氧基丙烷乙氧基三丙烯酸（S59）的聚合物表面，PBS对表面粗糙度和功能基团组成的影响尚未被充分探讨或描述。

在本研究中，我们对人肺上皮细胞A549在基于丙烯酸的光刻树脂上的附着性进行了评估，并进一步研究了由PBS引起的化学改性对细胞附着的影响。我们的结果得到了多种表征方法的支持。通过观察细胞附着并将其与对照板进行比较，我们发现S59和P59未展现出足够的物理化学特性以促进细胞附着。经过PBS处理后，S59/PBS基底使细胞附着性提高了约三倍，与未处理条件相比。S59基底在PBS处理后的细胞行为与商业对照板相似。而P59基底在PBS处理后未引起细胞附着行为的显著变化。这些结果表明，经过PBS处理的S59基底展现出对上皮细胞附着的友好表面。尽管本研究聚焦于细胞附着的初始事件，响应于PBS诱导的表面改性，未来的研究将提供关于细胞在处理后的聚合物基底上长期行为的更深入见解，并有助于阐明增强附着的机制。

通过分析表面润湿性和表面自由能，我们发现PBS处理显著改变了聚合物表面的特性。接触角测量结果显示，所有样本在PBS处理后接触角均减少了约20%，表明亲水性得到了提高。值得注意的是，P59样本在PBS处理后接触角下降幅度更大，从64.93°降至41.48°。这表明，S59/PBS基底在润湿性方面具有更显著的改善。此外，表面自由能的计算通过特定公式进行，与细胞附着性存在相关性。我们可以观察到，表面自由能与细胞附着之间的对应关系。需要指出的是，本研究中使用的对照基底是商业化的聚合物板，经过处理以促进细胞附着。因此，表面自由能（SFE）值接近对照基底的样本，其细胞附着性更高。结果表明，S59/PBS基底的表面自由能与对照基底接近，而P59/PBS基底的表面自由能较高，导致细胞附着性较低。

表面自由能的极性成分也与细胞附着存在相关性。对照基底的极性表面自由能值最低，表明其细胞附着性最佳。S59/PBS基底的极性表面自由能约为57 mJ/m2，也促进了细胞附着。然而，P59/PBS基底的极性表面自由能（64 mJ/m2）更高，导致细胞附着性降低。这些结果表明，极性表面自由能在细胞附着中起着重要作用。

表面拓扑结构是影响细胞附着的重要环境因素，因此我们重点评估了经过PBS处理的聚合物表面的粗糙度，以调节细胞附着。通过使用原子力显微镜（AFM）系统观察聚合物表面的拓扑结构，从而研究其纳米粗糙度。结果显示，PBS处理后，S59基底的平均粗糙度增加，而P59基底的平均粗糙度降低。有趣的是，PBS缓冲液将所有表面的平均粗糙度调整到约5.30 nm。正态性检验显示，不同样本的均值在0.05水平上具有显著差异。

我们还分析了聚合物平面的横向截面，以进一步评估PBS处理对表面拓扑结构的影响。在这些图像中，可以观察到S59/PBS基底的表面比P59/PBS基底更加平整，表明PBS处理在S59基底上形成了更复杂的表面结构，包括深沟和尖锐的峰。这可能有助于蛋白质吸附和细胞锚定，从而提高细胞附着性。相比之下，P59/PBS基底的表面拓扑结构较为均匀，尽管亲水性有所改善，但可能限制了细胞与基底的相互作用。

通过FTIR分析，我们验证了PBS处理对聚合物表面化学特性的影响。结果显示，S59基底在PBS处理后表现出明显的化学变化，包括形成羟基（OH）和羧酸（COOH）功能基团，这些基团对于促进细胞附着至关重要。已有研究表明，羧基和羟基基团，以及由基底表面粗糙度带来的影响，具有促进细胞亲和力的潜力。

此外，已知调整表面自由能可以影响细胞附着。以商业处理后的聚合物基底为例，其表面自由能为42.78 mJ/m2，用于提高细胞附着性。在本研究中，我们观察到S59/PBS基底的表面自由能接近对照基底的57.0 mJ/m2，而P59/PBS基底的表面自由能为63.44 mJ/m2，未达到对照基底的水平。这一结果与表面自由能对材料润湿性的控制密切相关，而润湿性又影响细胞与聚合物基底相互作用时吸附的蛋白质数量。

本研究的结论表明，PBS处理是一种有效的方法，用于改变S59聚合物薄膜的表面特性，使其具备适度的粗糙度、更高的亲水性和功能基团的形成。这些特性使得PBS处理成为调控细胞功能和组织再生的理想候选方法。研究结果还表明，通过PBS处理，可以提高A549肺上皮细胞在S59基底上的附着性，这使得原本不适合细胞培养的聚合物材料能够实现细胞行为的调控。本研究的结论基于光学观察、光谱表征和机械分析，结果表明，通过PBS处理可以调节聚合物基底的物理化学特性，从而增强细胞响应。