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生物医用材料是一个当代科学技术中涉及学科最为广泛的多学科交叉领域,是现代医学中生物技术和生物医学工程的重要基础。当前生物医学材料发展面临诸多挑战和机遇,亟需突破传统的生物材料经验和半经验研发模式,发展以分子设计和组装为基础,以材料结构与性能关系为依据,以原位高通量评价技术为手段的新型研究策略。鉴于生物材料与细胞间相互作用过程及相关影响因素的极端复杂性,迫切需要发展各种新的高效研究方法和评价技术,其中,高通量生物评价方法日益受到高度关注。基于表面微图案化技术与梯度化技术的高通量制备和高通量评价方法在生物医用材料及其它高性能先进材料的制备、评价和筛选方面具有高效、新颖、精准等诸多优势,成为近年来国际上相关领域的一个研究热点。我们基于Ti02优异的光催化特性,通过表面分子自组装和光催化转印技术,建立了医用钛表面超亲-超疏水阵列微图案的构筑技术,实现了超亲水和超疏水微单元在同一表面的有序集成化,有望为高通量研究/评价生物材料表面构-性关系提供一种新的平台。在医用钛表面构筑超亲-超疏水阵列微图案,可作为一种模板进一步利用可控的电化学沉积/刻蚀、表面化学组装等技术构筑各种化学组分、形貌结构呈梯度分布的微图案化生物材料,由此可实现高效研究细胞与生物材料表面相互作用机理、精准评价生物材料表面的构-性关系。本文侧重发展高通量制备和表征生物材料的平台和工具,在医用钛表面构筑多种具有结构和性质梯度分布的微图案化生物活性膜层,以此为研究平台,运用各种物理化学方法对表面理化性质进行高通量表征,通过生物矿化、细胞培养、抗菌实验等对表面生物学性质进行高通量评价。主要结论如下:1.基于超亲-超疏水图案化模板,首次成功建立了一种构筑具有结构和生物活性梯度分布的微图案化磷酸八钙(OCP)膜层的方法。在同一样品表面的微单元中获得具有梯度分布的散花状、散花与短带状共存、短带状及长带状等四种形貌结构不同的OCP膜层。以所构筑的梯度微图案化OCP膜层为检测平台,探索高通量评价微单元中具有梯度化形貌结构的OCP膜层的体外生物矿化能力,结果表明,不同形貌的OCP晶体具有明显差异的矿化能力。通过对梯度微图案化OCP膜层表面的体外细胞培养,发现小鼠前成骨细胞MC3T3-E1在梯度形貌的OCP微单元表面的粘附、铺展、增殖、迁移等行为有明显不同。本研究不仅建立了一种构筑具有结构和生物活性梯度分布的微图案化生物活性膜层的方法,并进一步验证了所构筑梯度微图案化的生物材料膜层可成为一种高通量评价材料生物活性和生物相容性的有力工具和新的平台。2.通过在电解液中添加丙谷二肽成功构筑梯度微图案化OCP/丙谷二肽复合膜层,首次将丙谷二肽应用于生物医用材料表面改性,与OCP膜层相比,丙谷二肽的添加可使OCP晶体晶须更有序和细密,可有效提高细胞与材料表面接触状态,优化细胞/材料界面的微环境,增强材料表面的生物相容性和生物活性。3.基于超亲-超疏水图案化模板,成功建立了基于连续提拉法分别结合脉冲电沉积、银镜反应、紫外光还原和多巴胺还原构筑具有形貌和纳米颗粒粒径梯度分布的微图案化TiO2/Ag膜层的方法,获得在同一样品表面的微单元中具有形貌和粒径呈连续梯度分布Ag纳米颗粒。以所构筑的梯度微图案化TiO2/Ag膜层为检测平台,高通量研究了四种载银方法制备的梯度微图案化TiO2/Ag膜层的抑菌环和细菌粘附效果,结果表明四种膜层的抗菌性有明显差别,紫外光还原法制备的梯度微图案化Ti02/Ag膜层表现出最强的抗菌性,并筛选出四种载银方法制备的梯度微图案化Ti02/Ag膜层最优抗菌区域及制备条件。4.引入丙谷二肽,成功建立了基于连续提拉法分别结合脉冲电沉积、银镜反应、紫外光还原和多巴胺还原构筑梯度微图案化Ti02/Ag/丙谷二肽复合膜层的方法,所构筑的TiO2/Ag/丙谷二肽复合膜层与不添加丙谷二肽构筑的膜层相比,Ag纳米颗粒粒径更可控,分布更均匀,添加丙谷二肽可改善Ag的沉积结构,增强纳米Ag的抗菌性,同时可有效降低细胞毒性。5.通过分步提拉阳极氧化法在医用钛表面成功构筑了海绵多孔状和管径分别为30nm、60nm、90nm梯度分布的Ti02纳米管阵列膜层(Ti02NTAs),并提出了梯度Ti02NTAs形成的可能机理。以梯度Ti02NTAs作为一种高通量检测平台,评价了各种纳米管表面退火处理前后晶体化状态,检测了各种纳米管表面的浸润性和超疏水构筑效果,探究了纳米管管径和纳米结构对表面浸润性的影响,结果表明,梯度Ti02NTAs表现出差异化晶体化状态;梯度Ti02 NTAs表面均为近超亲水表面,且经过PTES单分子层的构筑和光降解处理可实现超疏水性和超亲水性的可逆转换。将MC3T3-E1细胞、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌在梯度Ti02 NTAs表面的进行分别培养,结果表明,MC3T3-E1细胞在不同管径的Ti02NTAs表面细胞黏附数量、细胞活性和增殖行为显著不同,细菌在不同管径的Ti02NTAs表面也出现明显不同的选择黏附性和铺展行为,由此进一步证明,梯度Ti02NTAs可作为一种生物材料生物活性、生物相容性和抗菌性的高通量评价平台。6.在结构梯度化的TiO2NTAs表面进一步构筑微图案化OCP膜层,结果表明,管径和形貌梯度化的TiO2NTAs表面均可构筑超亲-超疏水微图案膜层,相同条件下进行OCP电沉积,在梯度管径和形貌Ti02 NTAs表面可获得具有形貌差异的OCP晶体,这种通过基底表面结构差异调控沉积膜层形貌的方法也可用于构筑形貌差异化的钙磷盐膜层。7.以梯度TiO2NTAs为平台,高通量研究脉冲电沉积、银镜反应、紫外光还原的反应条件及Ti02纳米管管径和形貌对载银的影响。结果表明载银方法和反应条件对载银效果有明显影响,相同方法和相同条件下在管径为30nm、60nm、90nm和海绵多孔状Ti02 NTAs表面可获得粒径和负载量不同的Ag纳米颗粒。同时,也建立了一种用同一制备条件在梯度Ti02NTAs表面简单快捷获得多种粒径的Ag纳米颗粒的方法。