超疏水微柱结构通过气垫介导的物理排斥机制显著抑制A549上皮细胞粘附

本文系统研究了硅基超疏水（SHB）微柱阵列通过稳定气垫层（plastron）实现物理性细胞排斥的机制。研究发现5 μm微柱（7.4%固相率）在4小时和24小时分别使A549细胞粘附降低95%和93%，其大尺寸气隙（>10 μm）通过限制细胞-基底接触和整合素锚定，展现出优于纳米结构的抗污性能，为生物医学抗粘附材料设计提供了新思路。

　　

超疏水细胞排斥微结构：气垫介导的A549上皮细胞粘附抑制机制

1 引言

超疏水（SHB）表面因其独特的空气滞留（plastron）特性，在生物医学抗污领域展现出巨大潜力。传统研究多聚焦纳米结构，而本研究首次系统揭示了微米级结构在细胞排斥中的优越性。通过精确调控硅基微柱的尺寸（2-50 μm）和固相率（2.5%-22.7%），构建了从超亲水（SHL）到超疏水的润湿性梯度表面，为理解细胞-材料相互作用提供了新视角。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌与润湿性

采用光刻和BOSCH深反应离子刻蚀（DRIE）技术制备的5 μm微柱阵列，经氟聚合物（FP）涂层后实现168°-173°的接触角。扫描电镜（SEM）显示不同固相率（7.4%-22.7%）的微柱结构完整，接触角滞后（CAH）随固相率降低而减小。值得注意的是，7.4%固相率的微柱阵列展现出最佳超疏水特性，其气垫层在浸没条件下呈现镜面反射。

2.2 气垫稳定性与蛋白排斥

荧光标记牛血清白蛋白（FITC-BSA）实验显示，7.4%固相率表面的蛋白覆盖率比光滑疏水对照降低90%。动态监测发现，2.5%固相率表面因气垫层在4小时内坍塌，导致蛋白吸附量反超7.4%样本，揭示了固相率与气垫稳定性的非线性关系。

2.3 润湿性与粗糙度对细胞粘附的影响

A549细胞培养4小时后，超疏水微柱（θ≈172°）的细胞密度（20±5 cells mm^-2）比疏水对照（θ≈113°）降低83%，比亲水对照降低95%。这种显著的"物理排斥"效应源于气垫层形成的虚拟屏障，有效阻断了细胞与基底的直接接触。

2.4 微米级结构的性能优势

与传统认知相反，纳米柱（θ≈173°）的细胞粘附量与光滑疏水对照相当，是微柱的6倍。研究提出两大机制：①微柱间10-50 μm的气隙超越细胞尺寸（10-30 μm），物理阻碍细胞桥接；②纳米结构的高曲率可能维持吸附蛋白的生物活性，促进整合素聚集。

2.5 气垫稳定性调控长期粘附

24小时后，保持Cassie-Baxter状态的微柱仍维持十倍的粘附抑制。细胞多形成松散球状聚集体而非单层铺展，暗示有限的粘附面积可能影响细胞周期进程。至72小时，气垫层坍塌导致所有表面发生Wenzel态转变，粘附量显著增加。

2.6 固相率的时间依赖性调控

7.4%固相率表面在短期（4小时）展现最佳排斥性，而14.5%表面在长期（3天）表现更优。这种"鱼与熊掌"现象揭示设计权衡：低固相率最大化初始气垫覆盖率但稳定性差，高固相率反之。

2.7 柱径的双重调控机制

在高固相率（22.7%）时，2-10 μm微柱因允许细胞桥接多个柱顶而粘附量高；20 μm微柱则限制细胞于单柱顶部。低固相率（7.4%）下，20 μm微柱因气隙过大（100 μm）导致气垫坍塌，而小柱径样品维持稳定排斥。

3 结论

5 μm微柱（7.4%固相率）的优化设计实现了95%的A549细胞粘附抑制，其物理排斥机制不依赖生化相互作用，为短期植入设备（如传感器）提供了新方案。该研究颠覆了"纳米结构优于抗污"的传统认知，证明微米级结构通过精心设计的气隙尺寸和固相率调控，可提供更持久有效的细胞排斥界面。