聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）是一种有机硅聚合物,由于软光刻技术和微接触印刷技术的出现和发展,PDMS已被广泛应用于制造微流控器件。PDMS价格便宜,具有良好的柔韧性、透气性和透光性（光学透明度可达230 nm,可以兼容多种光学检测方法）,并且它具有不透水性,对细胞无毒,容易制作和粘贴到其他表面的特点。尽管PDMS在微流控方面具有非常广泛的应用,但是它仍然具有不可忽视的局限性。PDMS制备的微流控器件在细胞生物学中应用的主要限制就是其固有的表面强疏水性。PDMS的强疏水性导致其表面对水溶剂的润湿性较差,可能导致小分子和生物分子的非特异性吸附,并且也导致细胞粘附受到强疏水表面的物化特性的强烈影响。对于细胞而言,细胞粘附是细胞与底层基质相互作用的第一步,细胞粘附也是细胞增殖、分化、活化和迁移的关键调控因子,可以决定生物界面与基底相互作用的命运。基于上述技术和领域的现状和挑战,在本论文中,构建了一种使用单宁酸进行PDMS表面化学修饰的高效率、低成本的方法,从而达到改善细胞在PDMS表面粘附及增殖的目的;然后利用砂纸作为模版,调控PDMS表面粗糙度及微观形貌,探究了PDMS的物理形貌对细胞粘附的影响;最后对基于单宁酸的化学修饰与基于砂纸的物理翻模的PDMS表面细胞初始行为进行了对比研究。本文的主要研究内容如下:1.构建基于单宁酸的表面高效功能化的方法以改善PDMS表面细胞粘附及增殖单宁酸（TA）是一种从植物中提取的多酚,广泛存在于茶叶、水果、荨麻、橡木等天然物质中,很容易从植物中获得,并且具有较低的商业成本。单宁酸由于具有丰富而复杂的物理性质和化学性质,从而在细胞研究、癌症治疗、生物催化、传感等领域被广泛应用。单宁酸中的邻苯二酚（1,2-二羟基苯基）和/或三酚（1,2,3-三羟基苯基）基团,通过共价键和/或非共价键相互作用,可以粘附在材料表面,从而能够与有机/无机/金属表面进行良好的结合。本工作研究了TA在PDMS表面的吸附过程,并评估其在提高细胞粘附和增殖方面的潜力。在温和的碱性条件下（p H=8.5的Tris缓冲液）,TA分子中的酚羟基被氧化成醌,并可与多类伯胺发生迈克尔加成或希夫碱反应。在PDMS表面修饰过程中,将不同质量的单宁酸和三氯化铁六水合物（0.1 mg/m L）溶解于p H=8.5的Tris缓冲液中,室温下孵育12小时。通过X射线光电子能谱仪（XPS）表征发现,在TA处理后,PDMS表面增加了单宁酸的特征键（C–OX和O=C）。同时,接触角测量显示TA修饰可以改善PDMS表面的强疏水性,而且该亲水性质在室温环境中可稳定保持。此外,TA@PDMS表面细胞培养实验中发现,与未修饰的PDMS相比,TA修饰不仅可以促进细胞在PDMS表面的粘附和增殖（增殖率增加50%左右）,而且可以有效减轻细胞凋亡（凋亡率降低10%左右）。进一步研究发现,有效改善细胞粘附与生长的环境得益于TA修饰层,它可以进一步通过迈克尔加成/希夫碱反应,将蛋白质有效的固定在PDMS表面,从而促进细胞的粘附。单宁酸修饰条件简单,不涉及细胞毒性化学物质,并且单宁酸的无色透明性质突出了它在基于PDMS的微流控细胞芯片中的应用潜力。2.探究物理形貌与粗糙度对细胞在PDMS表面的粘附、增殖等行为的影响及机理表面粗糙度作为一种材料表面的物理性质,是影响细胞功能的重要物理因素之一。砂纸是一种成本低、耐用的日用品,其表面的颗粒密度和尺寸具有多种规格。本工作探索了利用砂纸作为模版,通过软光刻（soft lithography）制作具有不同表面形貌粗糙度的PDMS的可能性。研究发现固化后的PDMS可以从具有不同目数的砂纸上剥离,从而获得具有不同表面形貌和粗糙度的PDMS,随后进一步研究了细胞在不同表面形貌和粗糙度的PDMS上的粘附与生长。实验结果发现,200目砂纸制作的PDMS的粗糙度为15.644μm,其上可以观察到尺寸在30-50μm大小的微孔,而微孔所占的面积为整个PDMS表面的32.12%。随着砂纸的目数增加到600目、1000目,PDMS的表面粗糙度变为6.977μm和6.759μm,而微孔的尺寸减小到10-20μm,5-15μm的范围,微孔在整个表面所占的比例也上升到44.77%和48.91%。物理形貌的变化,并没有明显改变PDMS的疏水性质。然而,细胞在通过砂纸制作的粗糙PDMS表面上的粘附数量明显增加。进一步分析细胞粘附的位点与PDMS表面微结构的关系,结果显示在PDMS-220目表面的微孔区域中生长了80.27%的细胞,说明细胞主要沿着表面孔隙结构分布。推测微米级的形貌通过增加材料的表面积,促进蛋白的吸附,为细胞提供稳定的微环境,有利于细胞的增殖。此外,PDMS上的微孔“陷阱”限制了细胞的移动,增加了细胞在此锚定的机率。最后,将砂纸制备的PDMS用于微流控细胞芯片,结果发现粗糙的微通道壁上生长的细胞显著多于光滑未修饰的PDMS通道,展示了物理调控PDMS表面形貌粗糙度在微流控细胞芯片构建上的潜力。3.系统比较化学修饰与物理形貌调控对PDMS表面细胞粘附及增殖的影响在建立体外细胞培养模型的研究中,所需基底材料的选择和设计,对于实验的整个过程都是非常重要的,探究材料表面与细胞之间的相互作用更是至关重要的一个部分。对于细胞而言,进行细胞培养的微环境对细胞的粘附、分化、迁移等多种细胞行为起着至关重要的调控作用。使用单宁酸进行化学修饰的材料表面通过改善润湿性及单宁酸氧化形成的醌基,来影响介导细胞锚定的细胞外基质蛋白的吸附,从而调控细胞粘附;而以砂纸为模板形成的材料表面的粗糙度增加了材料的有效表面积,这允许更多的纤连蛋白和其他细胞粘附相关的蛋白的吸附,从而改变细胞的功能。通过将细胞接种到表面单宁酸修饰、表面粗糙度调控以及在粗糙度表面进行单宁酸修饰的三种基底进行对比发现,在同时具备粗糙度和单宁酸功能层的表面,细胞的分布更倾向于类似细胞在粗糙度表面的分布,推测在一定粗糙表面改善润湿性并不会进一步增加细胞的附着量。而表面蛋白吸附的结果也证实了这一点,虽然单宁酸修饰和粗糙度调控都可以显著得增加PDMS表面的蛋白附着,并且效率相当,但是同时具备粗糙度和单宁酸修饰层的表面与分别进行化学修饰和物理粗糙度调控的表面蛋白附着并不存在显著性差异。这为以细胞培养为基础的微流控芯片的开发和设计提供了线索。