专利名称：一种低自由能表面亲水修饰的细胞控制方法
技术领域：
本发明属于表面化学、生物材料学、微制作技术、等离子体化学等交叉学科领域， 具体的是涉及一种低自由能表面亲水修饰的细胞控制方法。
背景技术：
细胞在基质表面上的粘附和生长强烈依赖于基质表面的化学性质，包括表面自由能和亲/疏水性等。所以，通过基质表面化学性质的模式化修饰，可以控制细胞在基质表面上的空间分布。此外，通过基质表面模式形状和大小的控制，借以控制细胞的形状和大小， 这是本发明的主要技术特征。然而，目前文献中还没见到有相同技术特征的报道，所能见到的具有相同效果的技术，仅有哈佛大学化学系Whitesides教授实验室发展的金表面烷硫醇盐自组装单层技术。其原理是，通过对烷硫醇盐自组装单层末端功能基团的修饰，利用寡聚乙二醇基团抑制蛋白质吸附的特性，结合微制作技术，制作抑制蛋白质吸附的背景表面， 并在其上引入支持蛋白质吸附的带有其他末端功能基团如甲基的烷硫醇盐自组装单层小岛，从而达到控制蛋白质吸附层空间分布的效果，并进而控制细胞空间分布和细胞形状及大小的目的。上述两种技术，其基本原理明显不同。烷硫醇盐自组装单层技术主要利用寡聚乙二醇基团抑制蛋白质吸附的特性，该特性的机理目前尚不明晰，据信与表面基团寡聚乙二醇的高密度组装引起的空间位阻有关。
发明内容
本发明针对上述现有技术的发展现状，本发明提出一种新的技术方案，是利用某些材料表面自由能很低这一表面化学特性，结合利用微制作技术和等离子体表面修饰技术，在低表面自由能材料表面上引入高表面自由能区域，从而达到控制细胞在表面上的空间分布以及其形状和大小的目的。发明内容本发明的目的在于提供一种通过在疏水的低自由能基质表面进行表面化学修饰，形成亲水的且具有高表面自由能的表面化学微观模式，以控制细胞在基质表面上的空间分布、形状和大小的方法。本发明的另外一个目的在于将上述的方法在生物医学工程领域、细胞生物传感器、生物芯片和生物微电机系统中应用。本发明通过实验证实，强疏水性的低自由能表面上，细胞通常难以粘附。所以，可以选择许多强疏水性低自由能材料如聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷，它们都适用于本发明述的作为基质进行表面化学修饰的材料，其中，优选聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane，PDMS )作为低表面自由能材料的代表之一，利用表面化学、生物材料学、微制作技术、等离子体化学等学科的技术和方法，在其低自由能，不利于细胞粘附的表面上，离心涂布光刻胶，在光刻胶上复有掩模，显影除去暴光光刻胶后，暴露出裸露的PDMS表面。通过高表面自由能图式的引入，等离子体处理对裸露的PDMS表面进行表面修饰，形成亲水高自由能表面。再除去未暴光光刻胶，使被掩模遮掩的PDMS表面再现，结果在PDMS表面形成了控制细胞粘附空间定位、细胞形状和大小的目的区域。为达到本发明目的所采取的技术步骤如图1所示。
图1、疏水低自由能聚二甲基硅氧烷(PDMS )表面上引入亲水高自由能区域技术流程。图2、聚二甲基硅氧烷(PDMS )经等离子体处理后表面自由能的变化，表面自由能系通过测量水和二碘甲烷的接触角计算得出。表面自由能于处理时间正相关。图3、聚二甲基硅氧烷经氧等离子体处理后表面微观亲水性的变化。图案的显示系以水蒸气在表面上凝结后挥发形成。等离子体处理使得裸露聚二甲基硅氧烷(PDMS )表面变为亲水。水滴挥发较慢，而周围的背景区域既未经处理区域，由于表面的疏水性，水滴很快蒸发。左图中圆直径50微米，右图中正方形边长45微米。图4、细胞粘附空间定位的实现。细胞粘附的空间定位。左侧为经等离子体处理的PDMS表面，右侧为同一 PDMS表面但是曝光时为光刻胶掩盖，接种细胞后，细胞只在经等离子体处理区域即左侧粘附生长，而右侧PDMS表面上细胞不能粘附。图5、细胞形状和大小的控制。图中细胞呈现规则的排列，显示为圆形阵列或长方形阵列。圆直径为50微米，长方形边长为30X70微米。虽然很多圆形上有2个细胞， 但是可以通过圆直径的减小，使得其面积仅足以铺展一个细胞。
具体实施例方式为了更好地理解本发明，但并非限制本发明，通过以下实施例进一步予以说明。实施例
UPDMS表面上微观模式的引入
所采用PDMS为美国Dow corning公司产品Sylgard 184。可按1:5-1: 60比例混合胶液和固化剂，然后加热固化。PDMS表面上微观模式的引入系通过传统的光刻工艺达成。具体方案为，在PDMS表面上离心涂布一层正性抗蚀剂(正性光刻胶)(S-9912， Shipley公司出产)，80°C烘烤25分钟，然后通过掩模以相应光源(200W高压汞灯照射90秒)曝光，并以2 %四甲基氢氧化馁水溶液显影除去曝光光刻胶，即可在PDMS表面上形成未曝光光刻胶的模式化包被层。曝光光刻胶显影除去后，暴露出裸露的PDMS表面。2、等离子体表面修饰
等离子体具有很高的能量和反应活性，可与裸露PDMS表面反应，结果表现为亲水性的高自由能区域。等离子体强度和作用时间可自行选择，修饰结果与这两个参数均相关。3、细胞粘附的空间定位
部分区域等离子体处理的PDMS采用75 %或无水乙醇浸泡消毒，按照常规培养技术接种牛关节软骨细胞并进行培养。4、细胞形状和大小的控制
通过制作具有和细胞尺度相似的掩模图形，按照上述流程，即可控制细胞的形状和大小。
权利要求
1.一种低自由能表面亲水修饰的细胞控制方法，其特征在于采用一种表面具有疏水性低自由能的材料，在其表面离心涂布光刻胶；在光刻胶上覆盖掩模，暴光，显影除去暴光光刻胶；暴露出裸露的基质表面，通过高表面自由能图式的引入，对裸露面进行表面修饰， 形成亲水高自由能表面；再除去被掩模遮掩未暴光光刻胶，结果表面形成了控制细胞粘附空间区域定位、细胞形状和大小的一种方法。
2.根据权利要求1所述的一种低自由能表面亲水修饰的细胞控制方法，其中所述的一种表面具有疏水性低自由能的材料可以是聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的一种低自由能表面亲水修饰的细胞控制方法，其特征在于其中所述的高表面自由能图式引入的能源包括等离子体、离子束、准分子激光、电子束或X 光。
全文摘要
本发明为汇集表面化学、生物材料学、微制作技术、等离子体化学等交叉学科领域的技术发明。具体地说，通过在疏水的低自由能表面上进行表面化学的修饰，形成亲水的且具有高表面自由能的表面化学微观模式，从而控制细胞在基质表面上的空间分布、形状和大小，在生物医学工程领域如组织工程、细胞的生物传感器、生物芯片和生物微机电系统(BioMEMs)中有广泛的应用前景。
文档编号C12N11/08GK102477420SQ201010553600
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者杜冲 申请人:大连创达技术交易市场有限公司